Foldit - это онлайн- игра-головоломка о сворачивании белков . Это часть экспериментального исследовательского проекта, разработанного Центром игровых наук Вашингтонского университета в сотрудничестве с Департаментом биохимии Университета Вашингтона . Цель Foldit - как можно точнее сложить структуры выбранных белков , используя инструменты, представленные в игре. В наибольшем количестве баллов , решения проанализированы исследователями, которые определяют , является ли или не существует родная структурная конфигурация ( нативное состояние ) , которые могут быть применены к соответствующим белкамам в реальном мире. Затем ученые могут использовать эти решения для нацеливания и искорененияболезней и создавать биологические инновации. В статье 2010 года в научном журнале Nature 57000 игроков Foldit предоставили полезные результаты, которые соответствовали или превосходили алгоритмически вычисленные решения. [3] [4]
Разработчики) | Вашингтонский университет , Центр игровых наук, [1] Департамент биохимии [2] |
---|---|
Первый выпуск | 8 мая 2008 г . |
Предварительный выпуск | |
Операционная система | Кроссплатформенность : Windows , macOS , Linux |
Размер | ≈434 МБ |
Доступно в | 13 языков |
Список языков Чешский, голландский, английский, французский, немецкий, иврит, индонезийский, итальянский, польский, румынский, русский, испанский, ученый | |
Тип | Головоломка , сворачивание белка |
Лицензия | проприетарное бесплатное программное обеспечение для академического и некоммерческого использования [1] |
Веб-сайт | сложить |
История
Розетта
Профессор Дэвид Бейкер , исследователь белков из Вашингтонского университета, основал проект Foldit. Сет Купер был ведущим разработчиком игр. Перед началом проекта Бейкер и его коллеги по лаборатории полагались на другой исследовательский проект под названием Rosetta [5], чтобы предсказать естественные структуры различных белков с помощью специальных компьютерных алгоритмов предсказания структуры белков . Rosetta был в конечном счете расширен для использования мощности распределенной вычислительной : Rosetta @ домой программа была доступна для публичного скачивания , и отображается его белковый складным прогресс в заставке . Его результаты были отправлены на центральный сервер для проверки. [6]
Некоторые пользователи Rosetta @ home были разочарованы, когда увидели способы решения белковых структур , но не смогли взаимодействовать с программой. Надеясь, что люди смогут улучшить попытки компьютеров решить белковые структуры, Бейкер обратился к Дэвиду Салезину и Зорану Поповичу, профессорам информатики в том же университете, чтобы помочь концептуализировать и создать интерактивную программу, видеоигру , которая понравится публике помочь усилиям найти нативные белковые структуры. [7] [8] [9]
Сложите его
Многие из тех, кто создал Rosetta @ home, работали над Foldit. Публичная бета- версия была выпущена в мае 2008 года [10] и насчитывает 240 000 зарегистрированных игроков. [11]
С 2008 года Foldit участвует в экспериментах по критической оценке методов прогнозирования структуры белка ( CASP ), предлагая свои лучшие решения для целей, основанных на неизвестных структурах белка. CASP - это международная программа по оценке методов прогнозирования структуры белков и выявлению наиболее продуктивных.
Цели
Прогнозирование структуры белков важно в нескольких областях науки, включая биоинформатику , молекулярную биологию и медицину . Определение структурных конфигураций природных белков позволяет ученым лучше их понять. Это может привести к созданию новых белков , прогрессу в лечении болезней и решениям других реальных проблем, таких как инвазивные виды , отходы и загрязнение .
Процесс, с помощью которого живые существа создают первичную структуру белков, биосинтез белков , достаточно хорошо изучен, как и способы, с помощью которых белки кодируются в виде ДНК . Однако определить, как первичная структура данного белка становится функционирующей трехмерной структурой, как складывается молекула , является более трудным. Общий процесс понятен, но прогнозирование конечной функциональной структуры белка требует вычислений . [12] [13]
Методы
Подобно Rosetta @ home, Foldit - это средство для более быстрого обнаружения структур нативных белков с помощью распределенных вычислений. Однако Foldit уделяет больше внимания сотрудничеству с сообществом через свои форумы, где пользователи могут сотрудничать в определенных областях. [3] Кроме того, краудсорсинговый подход Foldit делает больший упор на пользователя. [6] Виртуальное взаимодействие и геймификация Foldit создают уникальную и инновационную среду, способную значительно продвинуть исследования сворачивания белков.
Виртуальное взаимодействие
Foldit пытается применить способности человеческого мозга к сопоставлению трехмерных образов и пространственному мышлению, чтобы помочь решить проблему предсказания структуры белка. Пазлы 2016 основаны на хорошо изученных белках. Анализируя, как люди интуитивно подходят к решению этих головоломок, исследователи надеются улучшить алгоритмы, используемые программным обеспечением для сворачивания белков. [14]
Foldit включает в себя серию руководств, в которых пользователи манипулируют простыми белковоподобными структурами, и периодически обновляемый набор головоломок, основанных на реальных белках. Он показывает графическое представление каждого белка, которым пользователи могут управлять с помощью набора инструментов.
Геймификация
Разработчики Foldit хотели привлечь как можно больше людей к проблеме сворачивания белков. Таким образом, вместо создания полезного научного инструмента они использовали геймификацию (включение игровых элементов), чтобы сделать Foldit привлекательным и интересным для широкой публики.
При изменении структуры белка оценка рассчитывается на основе того, насколько хорошо сложен белок, и сохраняется список высоких баллов для каждой головоломки. Пользователи Foldit могут создавать группы и присоединяться к ним, а члены групп могут делиться решениями головоломок. Было обнаружено, что группы полезны при обучении новых игроков. Ведется отдельный список групповых рекордов.
Достижения
Результаты Foldit были включены в ряд научных публикаций.
Игроки Foldit называются «игроки Foldit» или «Игроки, F.» в некоторых случаях. Отдельные игроки также были указаны в качестве авторов по крайней мере в одной статье и в четырех связанных депозитах банка данных по белкам.
- В статье, опубликованной в августе 2010 года в журнале Nature , 57000 игроков Foldit предоставили полезные результаты, которые соответствовали или превосходили алгоритмически вычисленные решения, заявив, что «[p] слои, работая совместно, разрабатывают богатый ассортимент новых стратегий и алгоритмов; в отличие от вычислительных подходов, они исследуют не только конформационное пространство, но также и пространство возможных стратегий поиска ». [4] [3]
- В статье, опубликованной в ноябре 2011 года в PNAS, «рецепты», разработанные игроками Foldit, сравнивались со сценариями Rosetta, разработанными сотрудниками Baker Lab Вашингтонского университета. Разработанный игроками рецепт "Blue Fuse" выгодно отличается от алгоритма "Fast Relax" ученых. [15]
- В 2011 году Foldit игроки помогли расшифровать кристаллическую структуру из более ретровирусов протеазы от вируса Mason-Pfizer обезьян (M-PMV), обезьяны вируса , который вызывает ВИЧ / СПИД -как симптомы, научная проблема , которая была нерешенной в течение 15 лет. Хотя головоломка была доступна в течение трех недель, игроки создали трехмерную модель фермента всего за десять дней, которая достаточно точна для молекулярного замещения . [16] [17] [18]
- В январе 2012 года журнал Scientific American сообщил, что геймеры Foldit впервые провели краудсорсинговую переработку белка [11] , фермента, который катализирует реакции Дильса – Альдера, широко используемые в синтетической химии . Команда, в состав которой входил Дэвид Бейкер из Центра игровых наук Вашингтонского университета в Сиэтле, произвела компьютерную разработку фермента с нуля, но обнаружила, что его эффективность требует улучшения. Игроки Foldit переработали фермент, добавив 13 аминокислот , увеличив его активность более чем в 18 раз. [11] [19]
- В сентябрьской статье 2016 года в Nature Communications подробно описывается «соревнование по построению кристаллографических моделей между обученными кристаллографами, студентами, игроками Foldit и алгоритмами автоматического построения моделей», в котором «команда игроков Foldit достигла наиболее точной структуры», подбирая белок для результаты рентгеновского кристаллографического эксперимента. [20]
- В статье в Nature Communications, опубликованной в июле 2018 года, было рассмотрено сотрудничество между игроками Foldit и командами консорциума WeFold в проводимых раз в два года соревнованиях CASP CASP11 и CASP12. [21]
- В июньском письме 2019 года в Nature описан анализ белков, разработанный игроками Foldit. Четыре белка, разработанные игроком, были успешно выращены в E. coli, а затем «решены» с помощью рентгеновской кристаллографии . Белки были добавлены в банк данных по белкам как 6MRR , 6MRS , 6MSP и 6NUK . [22]
- В ноябре 2019 года в статье в журнале PLOS Biology сообщалось, как игроки Foldit могли «строить белковые структуры в кристаллографические карты с высоким разрешением более точно, чем опытные кристаллографы или алгоритмы автоматического построения моделей», используя данные крио-ЭМ экспериментов. [23]
Будущее развитие
Набор инструментов Foldit в основном предназначен для конструирования белковых молекул. Создатель игры объявил о плане добавить к 2013 году химические строительные блоки органических субкомпонентов, которые позволят игрокам конструировать небольшие молекулы. [24]
Смотрите также
|
|
|
Рекомендации
- ^ Вашингтонский университет, Центр игровых наук
- ^ Вашингтонский университет, факультет биохимии
- ^ a b c Марков Дж. (10 августа 2010 г.). «В видеоигре, решение сложностей сворачивания белков» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 февраля 2013 года .
- ^ а б Купер С., Хатиб Ф., Трейль А., Барберо Дж., Ли Дж., Бинен М. и др. (Август 2010 г.). «Прогнозирование структуры белка с помощью многопользовательской онлайн-игры» . Природа . 466 (7307): 756–60. Bibcode : 2010Natur.466..756C . DOI : 10,1038 / природа09304 . PMC 2956414 . PMID 20686574 .
- ^ "Rosetta Commons: центр программного обеспечения для моделирования Rosetta" . RosettaCommons.org . RosettaCommons.org . Проверено 17 ноября 2015 года .
- ^ a b Медицинский институт Говарда Хьюза «Игра про сворачивание белков позволяет мировой аудитории решать сложные головоломки» Eurekalert! , 4 августа 2010 г.
- ^ Бурзак К. (2008-05-08). «Биологи привлекают онлайн-геймеров» . Обзор технологий . Проверено 17 ноября +2016 .
- ^ Боханнон Дж (2009-04-20). «Геймеры разгадывают тайную жизнь протеина» . Проводной . Проверено 17 ноября +2016 .
- ^ "Зоран Попович" . Washington.edu .
- ↑ Хикки, Ханна. «Высокий результат компьютерной игры может принести Нобелевскую премию по медицине» Вашингтонский университет , 8 мая 2008 г.
- ^ а б в Маршалл Дж. (22 января 2012 г.). «Онлайн-геймеры добились первого редизайна протеина, созданного с помощью краудсорсинга» . Scientific American . Проверено 22 февраля 2012 года .
- ^ Хаспел Н., Цай С.Дж., Вольфсон Х., Нусинов Р. (июнь 2003 г.). «Снижение вычислительной сложности сворачивания белка за счет сворачивания и сборки фрагментов» . Белковая наука . 12 (6): 1177–87. DOI : 10.1110 / ps.0232903 . PMC 2323902 . PMID 12761388 .
- ^ Rocklin GJ, Chidyausiku TM, Goreshnik I., Ford A, Houliston S, Lemak A, et al. (Июль 2017 г.). «Глобальный анализ сворачивания белков с использованием массового параллельного проектирования, синтеза и тестирования» . Наука . 357 (6347): 168–175. Bibcode : 2017Sci ... 357..168R . DOI : 10.1126 / science.aan0693 . PMC 5568797 . PMID 28706065 .
- ^ Horowitz S, Koepnick B, Martin R, Tymieniecki A, Winburn AA, Cooper S, et al. (Сентябрь 2016 г.). «Определение кристаллических структур с помощью краудсорсинга и курсовых работ» . Nature Communications . 7 : 12549. Bibcode : 2016NatCo ... 712549H . DOI : 10.1038 / ncomms12549 . PMC 5028414 . PMID 27633552 .
- ^ Хатиб Ф., Купер С., Тыка М. Д., Сю К., Македон И., Попович З. и др. (Ноябрь 2011 г.). «Открытие алгоритма игроками в игры сворачивания белков» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (47): 18949–53. DOI : 10.1073 / pnas.1115898108 . PMC 3223433 . PMID 22065763 .
- ^ Хатиб Ф., ДиМайо Ф., Купер С., Казмерчик М., Гильски М., Кшивда С. и др. (Сентябрь 2011 г.). «Кристаллическая структура мономерной ретровирусной протеазы, решенная игроками, играющими в фолдинг белков» . Структурная и молекулярная биология природы . 18 (10): 1175–7. DOI : 10.1038 / nsmb.2119 . PMC 3705907 . PMID 21926992 .
- ^ Gilski M, Kazmierczyk M, Krzywda S, Zábranská H, Cooper S, Popović Z и др. (Ноябрь 2011 г.). «Структура высокого разрешения ретровирусной протеазы, свернутой как мономер» . Acta Crystallographica. Секция D, Биологическая кристаллография . 67 (Pt 11): 907–14. DOI : 10.1107 / S0907444911035943 . PMC 3211970 . PMID 22101816 .
- ^ Преториус Д. (19 сентября 2011 г.). «Геймеры расшифровывают белок СПИДа, который поставил исследователей в тупик на 15 лет всего за 3 недели» . The Huffington Post . Проверено 17 ноября +2016 .
- ^ Эйбен С.Б., Сигель Дж. Б., Бэйл Дж. Б., Купер С., Хатиб Ф., Шен Б. В. и др. (Январь 2012 г.). «Повышение активности Дильса-Альдеразы за счет ремоделирования позвоночника под руководством игроков Foldit» . Природа Биотехнологии . 30 (2): 190–2. DOI : 10.1038 / nbt.2109 . PMC 3566767 . PMID 22267011 .
- ^ Horowitz S, Koepnick B, Martin R, Tymieniecki A, Winburn AA, Cooper S, et al. (Сентябрь 2016 г.). «Определение кристаллических структур с помощью краудсорсинга и курсовых работ» . Nature Communications . 7 (1): 12549. Bibcode : 2016NatCo ... 712549H . DOI : 10.1038 / ncomms12549 . PMC 5028414 . PMID 27633552 .
- ^ Кисар С., Макгаффин Л.Дж., Валлнер Б., Чопра Г., Адхикари Б., Бхаттачарья Д. и др. (Июль 2018 г.). «Анализ и оценка совместной работы WeFold для предсказания структуры белка и ее конвейеров в CASP11 и CASP12» . Научные отчеты . 8 (1): 9939. Bibcode : 2018NatSR ... 8.9939K . DOI : 10.1038 / s41598-018-26812-8 . PMC 6028396 . PMID 29967418 .
- ^ Кёпник Б., Флаттен Дж., Хусейн Т., Форд А., Силва Д.А., Бик М.Дж. и др. (Июнь 2019). «Дизайн белка De novo гражданскими учеными» . Природа . 570 (7761): 390–394. Bibcode : 2019Natur.570..390K . DOI : 10.1038 / s41586-019-1274-4 . PMC 6701466 . PMID 31168091 .
- ^ Хатиб Ф., Десфосс А., Кёпник Б., Флаттен Дж., Попович З., Бейкер Д. и др. (Ноябрь 2019 г.). «Создание структур криоэлектронной микроскопии de novo совместно с гражданскими учеными» . PLOS Биология . 17 (11): e3000472. DOI : 10.1371 / journal.pbio.3000472 . PMC 6850521 . PMID 31714936 .
- ^ Хершер Р. (13 апреля 2012 г.). «Следующая игра FoldIt: краудсорсинг лучшего дизайна лекарств» . nature.com . Проверено 16 апреля 2012 года .
Внешние ссылки
- официальный сайт Foldit
- Foldit вики
- Baker Lab в Вашингтонском университете
- Институт дизайна белков
- Центр игровых наук