Čisto novi, ljudski proteini

V današnjem Znanstvenem britoffu bomo poročali o pomembni študiji s področja znanosti, h kateri odločilno prispeva tudi laična, nestrokovna javnost, v angleščini poznani kot citizen science. Igralci računalniške igre Foldit so namreč uspešno zasnovali čisto nove proteine in njihove strukture, ki jih v naravi do sedaj še nismo zasledili.

Foldit je spletna računalniška igra, pri kateri igralec poskuša s premikanjem posameznih strukturnih segmentov protein zviti tako, da bo njegova izračunana energija čim nižja. Energija sistema se ob vsaki igralčevi potezi glede na doseženo konfiguracijo sistema izračuna s posebno energijsko funkcijo, imenovano Rosetta, ki pa se tudi sicer često uporablja pri načrtovanju proteinskih struktur.

Foldit so seveda zasnovali in ga še razvijajo znanstveniki in znanstvenice. V osnovi je bila igra mišljena predvsem za reševanje tako imenovanega protein folding problema. Ta se ukvarja z vprašanjem, kako na podlagi aminokislinske sekvence napovedati tridimenzionalno strukturo proteina, v katero se polipeptidna veriga zvije. Raziskovalke in raziskovalci so nato igralcem Foldita zastavili nov, še težji problem: ustvariti čisto nov oziroma de novo protein, ki bo po svoji strukturi in aminokislinskem zaporedju drugačen od tistih, ki jih je z evolucijskimi silami pridelala narava.

Igralci so igro pričeli z razvito polipeptidno verigo in jo nato v igri zvijali v različne tridimenzionalne strukture. Raziskovalke in raziskovalci so nato sintetizirali več genov, ki bi lahko odgovarjali strukturam in so jih skonstruirali igralci Foldita. Omenimo, da so aminokislinska zaporedja povsem unikatna, saj podobnih do sedaj še ni bilo zaslediti v nobenem poznanem živem bitju. Takšne sintezne gene so nato izrazili v bakteriji Escherichia coli. S tako pridobljenimi proteini so proizvedli kristale, ki omogočajo določitev natančne tridimenzionalne strukture zvitega proteina s pomočjo rentgenske strukturne analize.

Izkušenim raziskovalkam in raziskovalcem iz laboratorija profesorja Davida Bakerja je nato uspelo določiti kristalno strukturo pridobljenih proteinov in tako primerjati zvitja s tistimi, ki so jih priigrali igralci Foldita. Primerjava struktur je pokazala, da se eksperimentalne strukture in strukture igralcev Foldita v veliki večini zelo dobro ujamejo. Igralci Foldita so tako v igri uspešno oblikovali čisto nove proteine, ki jih v naravi do sedaj še nismo zasledili.

Do zanimivih ugotovitev so se raziskovalci in raziskovalke dokopali tudi, ko so primerjali, kako se reševanja problema lotijo igralci Foldita in kako poteka reševanje, ki temelji na avtomatiziranih pristopih z uporabo naprednih računalniških algoritmov za iskanje energijsko najboljših tridimenzionalnih struktur. Igralci, ki seveda niso eksperti, so rešitve iskali precej manj usmerjeno in zato večkrat zašli na stranpoti, ki večkrat vodijo v neugodne proteinske strukture z visokimi energijami. To se sicer morda zdi neracionalno, ampak prav tak nekoliko zmeden, človeški pristop lahko pripelje do nekonvencionalnih rešitev, ki jih računalniški algoritem lahko spregleda, ker ta precej hitreje najde primerno tridimenzionalno strukturo, ki odgovarja zastavljenemu problemu.

Raziskovalci na koncu študije izpostavljajo, da bi lahko s takšnim zglednim sodelovanjem znanstvenikov in kreativne, igrive laične javnosti v prihodnosti rešili še kakšnega izmed velikih znanstvenih problemov.
 

Igra foldit.

Vir: Koepnick, B., Flatten, J., Husain, T., Ford, A., Silva, D.-A., Bick, M. J., … Baker, D. (2019). De novo protein design by citizen scientists. Nature, 1. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1274-4; do članka pa lahko dostopate tudi preko uradne spletne strani laboratorija prof. Baker-ja (med seznamom publikacij).