Фолдит

Фолдит
	Снимок экрана приложения Foldit, показывающий процесс складывания головоломки.
Разработчик(и)	Вашингтонский университет , Центр игровых наук, Кафедра биохимии
Первоначальный выпуск	8 мая 2008 г .; 16 лет назад
Предварительный выпуск	Бессрочная бета-версия
Операционная система	Кроссплатформенность : Windows , macOS , Linux.
Размер	≈434 МБ
Доступно в	13 языков
	показывать Список языков
Тип	Видеоигра-головоломка , складывание белка
Лицензия	Проприетарное бесплатное программное обеспечение для академического и некоммерческого использования [1]
Веб-сайт	складывать .это

Foldit — это онлайн -игра-головоломка о сворачивании белка . Это часть экспериментального исследовательского проекта, разработанного Центром игровых наук Вашингтонского университета в сотрудничестве с кафедрой биохимии Университета Вашингтона . Цель Foldit — как можно точнее сложить структуры выбранных белков , используя инструменты, представленные в игре. Решения с наивысшей оценкой анализируются исследователями, которые определяют, существует ли нативная структурная конфигурация ( нативное состояние ), которую можно применить к соответствующим белкам в реальном мире. Затем ученые смогут использовать эти решения для выявления и искоренения болезней , а также для создания биологических инноваций. В статье 2010 года в научном журнале Nature 57 000 игроков Foldit отметили, что они предоставили полезные результаты, которые соответствовали или превосходили алгоритмически вычисленные решения. ^[3]^[4]

История

Розетта

Профессор Дэвид Бейкер , ученый-исследователь белков из Вашингтонского университета, основал проект Foldit. Сет Купер был ведущим дизайнером игры. Прежде чем начать проект, Бейкер и его коллеги по лаборатории опирались на другой исследовательский проект под названием Rosetta. ^[5] прогнозировать нативную структуру различных белков с помощью специальных компьютерных прогнозирования структуры белков алгоритмов . В конечном итоге Rosetta была расширена для использования возможностей распределенных вычислений : программа Rosetta@home была доступна для публичной загрузки и отображала процесс сворачивания белка в виде заставки . Его результаты были отправлены на центральный сервер для проверки. ^[6]

Некоторые пользователи Rosetta@home разочаровались, когда увидели способы решения белковых структур , но не смогли взаимодействовать с программой. Надеясь, что люди смогут улучшить попытки компьютеров решать белковые структуры, Бейкер обратился к Дэвиду Салезину и Зорану Поповичу, профессорам информатики в том же университете, с просьбой помочь концептуализировать и создать интерактивную программу, видеоигру , которая понравится публике и помочь усилиям по поиску нативных белковых структур. ^[7]^[8]^[9]

Фолдит

Над Foldit работали многие из тех же людей, которые создали Rosetta@home. Публичная бета- версия была выпущена в мае 2008 года. ^[10] и имеет 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 — международная программа по оценке методов прогнозирования структуры белков и выявлению наиболее продуктивных.

Цели

Предсказание структуры белка важно в нескольких областях науки, включая биоинформатику , молекулярную биологию и медицину . Идентификация структурных конфигураций природных белков позволяет ученым лучше их понять. Это может привести к созданию новых белков , достижениям 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 ДНК . Однако определить, как первичная структура данного белка становится функционирующей трехмерной структурой, как молекула сворачивается , сложнее. Общий процесс понятен, но предсказание возможной функционирующей структуры белка требует вычислительных усилий. ^[12]^[13]

Методы

Подобно Rosetta@home, Foldit — это средство для более быстрого обнаружения нативных белковых структур с помощью распределенных вычислений. Тем не менее, Foldit уделяет больше внимания сотрудничеству сообщества через свои форумы, где пользователи могут сотрудничать по определенным направлениям. ^[3] Более того, краудсорсинговый подход Foldit уделяет больше внимания пользователю. ^[6] Виртуальное взаимодействие и геймификация Foldit создают уникальную и инновационную среду, способную значительно продвинуть исследования по сворачиванию белков.

Виртуальное взаимодействие

Foldit пытается применить способности человеческого мозга трехмерных к сопоставлению образов и пространственному мышлению, чтобы помочь решить проблему предсказания структуры белка. Головоломки 2016 года основаны на хорошо изученных белках. Анализируя, как люди интуитивно подходят к этим головоломкам, исследователи надеются улучшить алгоритмы, используемые программным обеспечением для сворачивания белков. ^[14]

Foldit включает в себя серию руководств , в которых пользователи манипулируют простыми белковоподобными структурами, а также периодически обновляемый набор головоломок, основанных на реальных белках. Он показывает графическое представление каждого белка, которым пользователи могут манипулировать с помощью набора инструментов.

Геймификация

Разработчики Foldit хотели привлечь как можно больше людей к делу сворачивания белков. Таким образом, вместо того, чтобы просто создать полезный научный инструмент, они использовали геймификацию (включение игровых элементов), чтобы сделать Foldit привлекательным и привлекательным для широкой публики.

По мере изменения структуры белка оценка рассчитывается на основе того, насколько хорошо сложен белок, и сохраняется список высоких оценок для каждой головоломки. Пользователи Foldit могут создавать группы и присоединяться к ним, а члены групп могут делиться решениями головоломок. Было обнаружено, что группы полезны для обучения новых игроков. Ведется отдельный список групповых рекордов.

Достижения

Результаты Foldit были включены в ряд научных публикаций.

Игроков Foldit вместе называют «игроками Foldit» или «Игроками F». в некоторых случаях. Отдельные игроки также были указаны в качестве авторов как минимум одной статьи и четырех связанных с ней отчетов в банке данных о белках .

В статье, опубликованной в журнале Nature в августе 2010 года , 57 000 игроков Foldit отметили, что они предоставили полезные результаты, которые соответствовали или превосходили алгоритмически вычисленные решения, заявляя, что «[p] слои, работая совместно, разрабатывают богатый ассортимент новых стратегий и алгоритмов; в отличие от вычислительных подходов, они исследуют не только конформационное пространство, но и пространство возможных стратегий поиска». ^[4]^[3]
В статье в PNAS, опубликованной в ноябре 2011 года , «рецепты», разработанные игроками Foldit, сравнивались со сценариями Rosetta, разработанными членами лаборатории Бейкера в Вашингтонском университете. Разработанный игроком рецепт «Синего предохранителя» выгодно отличался от алгоритма учёных «Быстрое расслабление». ^[15]
В 2011 году игроки Foldit помогли расшифровать кристаллическую структуру ретровирусной обезьяньего протеазы вируса Мейсона-Пфайзера (M-PMV), обезьяньего вируса , вызывающего симптомы, подобные ВИЧ/СПИДу . Это научная проблема, которая оставалась нерешенной в течение 15 лет. Хотя головоломка была доступна в течение трех недель, игроки всего за десять дней создали 3D- , модель фермента достаточно точную для молекулярной замены . ^[16]^[17]^[18]
В январе 2012 года журнал Scientific American сообщил, что геймеры Foldit добились первого краудсорсингового изменения дизайна белка. ^[11] фермент , катализирующий реакции Дильса-Альдера, широко используемые в синтетической химии . Команда, в которую входил Дэвид Бейкер из Центра игровых наук Вашингтонского университета в Сиэтле, провела вычислительную разработку фермента с нуля, но обнаружила, что его эффективность требует улучшения. Игроки Foldit модернизировали фермент, добавив 13 аминокислот , увеличив его активность более чем в 18 раз. ^[11]^[19]
В статье в журнале Nature Communications, опубликованной в сентябре 2016 года , подробно описывалось «соревнование по построению кристаллографических моделей между подготовленными кристаллографами, студентами бакалавриата, игроками Foldit и алгоритмами автоматического построения моделей», в котором «команда игроков Foldit достигла наиболее точной структуры», подобрав белок к результаты рентгенокристаллографического эксперимента. ^[20]
В статье в журнале 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 письме в журнале Nature за июнь 2019 года описан анализ белков, разработанных игроками Foldit. Четыре белка, разработанные игроками, были успешно выращены в E. coli , а затем «решены» с помощью рентгеновской кристаллографии . Белки были добавлены в банк данных белков как 6MRR , 6MRS , 6MSP и 6NUK . ^[22]
В ноябре 2019 года в статье в PLOS Biology сообщалось, как игроки Foldit смогли «создать белковые структуры в кристаллографические карты с высоким разрешением более точно, чем эксперты-кристалографы или алгоритмы автоматического построения моделей», используя данные крио-ЭМ -экспериментов. ^[23]

Будущее развитие

Инструментарий Foldit в основном предназначен для проектирования белковых молекул. Создатель игры объявил о плане добавить к 2013 году химические строительные блоки из органических субкомпонентов, чтобы игроки могли создавать небольшие молекулы. ^[24] Система дизайна малых молекул под названием Drugit была протестирована на супрессоре опухоли фон Хиппеля-Линдау (VHL). Результаты эксперимента VHL были представлены в препринте за март 2023 года. ^[25] и на Американского химического общества в августе 2023 года. конференции ^[26]

См. также

Ссылки

^ Вашингтонский университет, Центр игровых наук
^ Вашингтонский университет, факультет биохимии
^ Jump up to: ^а ^б ^с Маркофф Дж. (10 августа 2010 г.). «В видеоигре: решение сложностей сворачивания белка» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 февраля 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б Купер С., Хатиб Ф., Трей А., Барберо Дж., Ли Дж., Бинен М. и др. (август 2010 г.). «Предсказание белковых структур с помощью многопользовательской онлайн-игры» . Природа . 466 (7307): 756–60. Бибкод : 2010Natur.466..756C . дои : 10.1038/nature09304 . ПМК 2956414 . ПМИД 20686574 .
^ «Rosetta Commons: центр программного обеспечения для моделирования Rosetta» . RosettaCommons.org . Проверено 17 ноября 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Медицинский институт Говарда Хьюза «Игра по складыванию белков задействует возможности мировой аудитории для решения сложных головоломок» Eurekalert! , 4 августа 2010 г.
^ Бурзак К. (08 мая 2008 г.). «Биологи привлекают онлайн-геймеров» . Обзор технологий . Проверено 17 ноября 2016 г. .
^ Боханнон Дж (20 апреля 2009 г.). «Геймеры разгадывают тайную жизнь белка» . Проводной . Проверено 17 ноября 2016 г. .
^ «Зоран Попович» . Вашингтон.edu .
^ Хикки, Ханна. «За высокий балл в компьютерной игре можно получить Нобелевскую премию по медицине» Вашингтонский университет , 8 мая 2008 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Маршалл Дж. (22 января 2012 г.). «Онлайн-геймеры впервые осуществили краудсорсинговый редизайн белка» . Научный американец . Проверено 22 февраля 2012 г.
^ 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. дои : 10.1110/ps.0232903 . ПМК 2323902 . ПМИД 12761388 .
^ Роклин Г.Дж., Чидьяусику Т.М., Горешник И., Форд А., Хоулистон С., Лемак А. и др. (июль 2017 г.). «Глобальный анализ сворачивания белков с использованием массово-параллельного проектирования, синтеза и тестирования» . Наука . 357 (6347): 168–175. Бибкод : 2017Sci...357..168R . дои : 10.1126/science.aan0693 . ПМЦ 5568797 . ПМИД 28706065 .
^ Горовиц С., Кепник Б., Мартин Р., Тыменецкий А., Винберн А.А., Купер С. и др. (сентябрь 2016 г.). «Определение кристаллических структур посредством краудсорсинга и курсовой работы» . Природные коммуникации . 7 : 12549. Бибкод : 2016NatCo...712549H . дои : 10.1038/ncomms12549 . ПМК 5028414 . ПМИД 27633552 .
^ Хатиб Ф., Купер С., Тыка М.Д., Сюй К., Македон И., Попович З. и др. (ноябрь 2011 г.). «Открытие алгоритма игроками в игры по сворачиванию белков» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (47): 18949–53. дои : 10.1073/pnas.1115898108 . ПМЦ 3223433 . ПМИД 22065763 .
^ Хатиб Ф., ДиМайо Ф., Купер С., Казмерчик М., Гильски М., Крживда С. и др. (сентябрь 2011 г.). «Кристаллическая структура мономерной ретровирусной протеазы, раскрытая игроками в игру по сворачиванию белка» . Структурная и молекулярная биология природы . 18 (10): 1175–7. дои : 10.1038/nsmb.2119 . ПМК 3705907 . ПМИД 21926992 .
^ Гильски М., Казмерчик М., Кшивда С., Забранска Х., Купер С., Попович З. и др. (ноябрь 2011 г.). «Структура высокого разрешения ретровирусной протеазы, свернутой в мономер» . Акта Кристаллографика. Раздел D. Биологическая кристаллография . 67 (Часть 11): 907–14. дои : 10.1107/S0907444911035943 . ПМК 3211970 . ПМИД 22101816 .
^ Преториус Д. (19 сентября 2011 г.). «Геймеры всего за 3 недели расшифровали белок СПИДа, который ставил в тупик исследователей на протяжении 15 лет» . Хаффингтон Пост . Проверено 17 ноября 2016 г. .
^ Эйбен С.Б., Сигел Дж.Б., Бэйл Дж.Б., Купер С., Хатиб Ф., Шен Б.В. и др. (январь 2012 г.). «Увеличение активности Дильса-Альдеразы за счет ремоделирования позвоночника под руководством игроков Foldit» . Природная биотехнология . 30 (2): 190–2. дои : 10.1038/nbt.2109 . ПМЦ 3566767 . ПМИД 22267011 .
^ Горовиц С., Кепник Б., Мартин Р., Тыменецкий А., Винберн А.А., Купер С. и др. (сентябрь 2016 г.). «Определение кристаллических структур посредством краудсорсинга и курсовой работы» . Природные коммуникации . 7 (1): 12549. Бибкод : 2016NatCo...712549H . дои : 10.1038/ncomms12549 . ПМК 5028414 . ПМИД 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 по прогнозированию структуры белков и ее конвейеров в CASP11 и CASP12» . Научные отчеты . 8 (1): 9939. Бибкод : 2018НатСР...8.9939К . дои : 10.1038/s41598-018-26812-8 . ПМК 6028396 . ПМИД 29967418 .
^ Кепник Б., Флэттен Дж., Хусейн Т., Форд А., Сильва Д.А., Бик М.Дж. и др. (июнь 2019 г.). «Разработка белка de novo гражданскими учеными» . Природа . 570 (7761): 390–394. Бибкод : 2019Природа.570..390К . дои : 10.1038/s41586-019-1274-4 . ПМК 6701466 . ПМИД 31168091 .
^ Хатиб Ф., Дефоссес А., Кепник Б., Флэттен Дж., Попович З., Бейкер Д. и др. (ноябрь 2019 г.). «Создание структур криоэлектронной микроскопии de novo совместно с гражданскими учеными» . ПЛОС Биология . 17 (11): e3000472. дои : 10.1371/journal.pbio.3000472 . ПМК 6850521 . ПМИД 31714936 .
^ Хершер Р. (13 апреля 2012 г.). «Следующая игра FoldIt: краудсорсинг лучшего дизайна лекарств» . Nature.com . Проверено 16 апреля 2012 г.
^ Моретти, Рокко (15 марта 2023 г.). «Выпущен бумажный препринт серии головоломок VHL!» . сложить.it .
^ «Лекарственное средство: краудсорсинговый молекулярный дизайн непептидных связующих VHL» .

Внешние ссылки

официальный сайт Фолдит

[1] Вашингтонский университет, Центр игровых наук

[2] Вашингтонский университет, факультет биохимии

[auto-3] Jump up to: ^а ^б ^с Маркофф Дж. (10 августа 2010 г.). «В видеоигре: решение сложностей сворачивания белка» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 февраля 2013 г.

[Predicting_protein_structures_with-4] Jump up to: ^а ^б Купер С., Хатиб Ф., Трей А., Барберо Дж., Ли Дж., Бинен М. и др. (август 2010 г.). «Предсказание белковых структур с помощью многопользовательской онлайн-игры» . Природа . 466 (7307): 756–60. Бибкод : 2010Natur.466..756C . дои : 10.1038/nature09304 . ПМК 2956414 . ПМИД 20686574 .

[5] «Rosetta Commons: центр программного обеспечения для моделирования Rosetta» . RosettaCommons.org . Проверено 17 ноября 2015 г.

[:0-6] Jump up to: ^а ^б Медицинский институт Говарда Хьюза «Игра по складыванию белков задействует возможности мировой аудитории для решения сложных головоломок» Eurekalert! , 4 августа 2010 г.

[7] Бурзак К. (08 мая 2008 г.). «Биологи привлекают онлайн-геймеров» . Обзор технологий . Проверено 17 ноября 2016 г. .

[8] Боханнон Дж (20 апреля 2009 г.). «Геймеры разгадывают тайную жизнь белка» . Проводной . Проверено 17 ноября 2016 г. .

[9] «Зоран Попович» . Вашингтон.edu .

[10] Хикки, Ханна. «За высокий балл в компьютерной игре можно получить Нобелевскую премию по медицине» Вашингтонский университет , 8 мая 2008 г.

[games-11] Jump up to: ^а ^б ^с Маршалл Дж. (22 января 2012 г.). «Онлайн-геймеры впервые осуществили краудсорсинговый редизайн белка» . Научный американец . Проверено 22 февраля 2012 г.

[12] 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. дои : 10.1110/ps.0232903 . ПМК 2323902 . ПМИД 12761388 .

[13] Роклин Г.Дж., Чидьяусику Т.М., Горешник И., Форд А., Хоулистон С., Лемак А. и др. (июль 2017 г.). «Глобальный анализ сворачивания белков с использованием массово-параллельного проектирования, синтеза и тестирования» . Наука . 357 (6347): 168–175. Бибкод : 2017Sci...357..168R . дои : 10.1126/science.aan0693 . ПМЦ 5568797 . ПМИД 28706065 .

[14] Горовиц С., Кепник Б., Мартин Р., Тыменецкий А., Винберн А.А., Купер С. и др. (сентябрь 2016 г.). «Определение кристаллических структур посредством краудсорсинга и курсовой работы» . Природные коммуникации . 7 : 12549. Бибкод : 2016NatCo...712549H . дои : 10.1038/ncomms12549 . ПМК 5028414 . ПМИД 27633552 .

[15] Хатиб Ф., Купер С., Тыка М.Д., Сюй К., Македон И., Попович З. и др. (ноябрь 2011 г.). «Открытие алгоритма игроками в игры по сворачиванию белков» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (47): 18949–53. дои : 10.1073/pnas.1115898108 . ПМЦ 3223433 . ПМИД 22065763 .

[2011paper-16] Хатиб Ф., ДиМайо Ф., Купер С., Казмерчик М., Гильски М., Крживда С. и др. (сентябрь 2011 г.). «Кристаллическая структура мономерной ретровирусной протеазы, раскрытая игроками в игру по сворачиванию белка» . Структурная и молекулярная биология природы . 18 (10): 1175–7. дои : 10.1038/nsmb.2119 . ПМК 3705907 . ПМИД 21926992 .

[17] Гильски М., Казмерчик М., Кшивда С., Забранска Х., Купер С., Попович З. и др. (ноябрь 2011 г.). «Структура высокого разрешения ретровирусной протеазы, свернутой в мономер» . Акта Кристаллографика. Раздел D. Биологическая кристаллография . 67 (Часть 11): 907–14. дои : 10.1107/S0907444911035943 . ПМК 3211970 . ПМИД 22101816 .

[18] Преториус Д. (19 сентября 2011 г.). «Геймеры всего за 3 недели расшифровали белок СПИДа, который ставил в тупик исследователей на протяжении 15 лет» . Хаффингтон Пост . Проверено 17 ноября 2016 г. .

[19] Эйбен С.Б., Сигел Дж.Б., Бэйл Дж.Б., Купер С., Хатиб Ф., Шен Б.В. и др. (январь 2012 г.). «Увеличение активности Дильса-Альдеразы за счет ремоделирования позвоночника под руководством игроков Foldit» . Природная биотехнология . 30 (2): 190–2. дои : 10.1038/nbt.2109 . ПМЦ 3566767 . ПМИД 22267011 .

[20] Горовиц С., Кепник Б., Мартин Р., Тыменецкий А., Винберн А.А., Купер С. и др. (сентябрь 2016 г.). «Определение кристаллических структур посредством краудсорсинга и курсовой работы» . Природные коммуникации . 7 (1): 12549. Бибкод : 2016NatCo...712549H . дои : 10.1038/ncomms12549 . ПМК 5028414 . ПМИД 27633552 .

[21] Кисар С., Макгаффин Л.Дж., Валлнер Б., Чопра Г., Адхикари Б., Бхаттачарья Д. и др. (июль 2018 г.). «Анализ и оценка совместной работы WeFold по прогнозированию структуры белков и ее конвейеров в CASP11 и CASP12» . Научные отчеты . 8 (1): 9939. Бибкод : 2018НатСР...8.9939К . дои : 10.1038/s41598-018-26812-8 . ПМК 6028396 . ПМИД 29967418 .

[22] Кепник Б., Флэттен Дж., Хусейн Т., Форд А., Сильва Д.А., Бик М.Дж. и др. (июнь 2019 г.). «Разработка белка de novo гражданскими учеными» . Природа . 570 (7761): 390–394. Бибкод : 2019Природа.570..390К . дои : 10.1038/s41586-019-1274-4 . ПМК 6701466 . ПМИД 31168091 .

[23] Хатиб Ф., Дефоссес А., Кепник Б., Флэттен Дж., Попович З., Бейкер Д. и др. (ноябрь 2019 г.). «Создание структур криоэлектронной микроскопии de novo совместно с гражданскими учеными» . ПЛОС Биология . 17 (11): e3000472. дои : 10.1371/journal.pbio.3000472 . ПМК 6850521 . ПМИД 31714936 .

[24] Хершер Р. (13 апреля 2012 г.). «Следующая игра FoldIt: краудсорсинг лучшего дизайна лекарств» . Nature.com . Проверено 16 апреля 2012 г.

[25] Моретти, Рокко (15 марта 2023 г.). «Выпущен бумажный препринт серии головоломок VHL!» . сложить.it .

[26] «Лекарственное средство: краудсорсинговый молекулярный дизайн непептидных связующих VHL» .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]