蛋白质游戏:绞尽脑汁的一天

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蛋白质游戏:绞尽脑汁的一天

概要: 本文简要介绍了 Foldit 蛋白质折叠游戏的情况、科学背景和未来展望。
蛋白质游戏:绞尽脑汁的一天
Protein Computer Games: Me Fold Pretty One Day
本文由外语文献翻译而来
若发现翻译问题,请至论坛讨论
原文 科学美国人
发布时间 不明
原作者 Jeffrey M. Perkel
译者 fwjmath
版权 中国分布式计算总站:版权信息

一群爱好者憩息在各自家中,却可以通过互联网帮助研究人员找出蛋白质的结构,这到底是怎么做到的呢?

TWIST 和 WIGGLE:Foldit 中的一个蛋白质。颜色表示能量,从低(绿色)到高(红色)。


卡住了。

我正在电脑前面玩一个“非典型”的游戏:用人类的空间推理和解谜能力来“操控”蛋白质,使他们成型。

其实我们可以把这个名为 FoldIt 的游戏看作是在分子层面上的折纸练习。游戏在屏幕上显示的是一条斑驳的蛋白质骨架,每个部分都被染上了颜色,或绿或红,或棕或橙,代表了该部分的某些性质,而玩家需要做的就是拖拽扭动这个骨架。如果我们把这个骨架看成一条手链的话,那这条手链上还挂着一些名为侧链的 “饰物”。这些侧链代表了构成蛋白质的各种基团的特有结构。

氨基酸是构成蛋白质的砖块,正是各种氨基酸的不同排列方式造就了不同的蛋白质,包括组成头发的角蛋白和运输氧气的血红蛋白。当蛋白质在细胞中被组装起来时,它们的骨架会自行扭结缠绕起来,折叠成麻花那样的形状。蛋白质的形状和结构决定了它的职能和岗位。

现在我正在摆弄漏斗网蛛的一种毒蛋白。这个蛋白质看起来状态很不好:它被拉得太长,颜色也是表示警告的红色比绿色多,另外还有 4 个地方发生了位置上的冲突。

简单摆弄几下之后,情况就好多了。刚开始时我的分数是 1807,仅仅按了两个键之后蛋白质就显然变得更紧凑了。冲突不见了,颜色也变绿了。现在我的分数是 7710。目前的最高分是 8649,看起来并不像是不可逾越的,但我完全不知道从何着手。

高分:Foldit 区分了个人排名和团队排名。还创建了一些聊天室以方便大家协作。

我以前在宾夕法尼亚州大学拿过一个细胞和分子生物学的博士学位,但这好像对我玩好这个游戏没多大作用。最后看着我的排名停滞在 430 名(共有 450 名玩家),我还是灰溜溜地放弃了。

我在这个领域有一个博士学位,所以我很清楚在实验室里测定某个给定的蛋白质的正确结构是一项多么费劲而且昂贵的工作。即使是那些只含有大概 100 个氨基酸的蛋白质也可能有上万亿种不同的形状,而在此之中只有一种形状是正确的,就是能量最低的那种。华盛顿大学的生物化学家 David Baker 解释说,这是因为蛋白质的结构就像是在起伏不平的地面上的一个小球,会自动滚到地面上最低的地方,因为在那里它的能量最低。要找到某个给定蛋白质的正确形状就意味着要找到使蛋白质能量最低的形状。

Baker 教授想到了一个全自动完成这个工作的方法:Rosetta@home。它的工作原理和著名的用于在从外太空接收的无线电波中筛选地外文明信号的 SETI@home 屏保一样,就是利用全世界计算机的闲置计算资源来预测蛋白质的形状,不停扭动和弯曲这些分子来尝试得到最低能量的状态。有时候程序会出些白痴的错误,而用户也能看见。“我正在看着屏保上的东西,计算机做的这些移动经常看起来非常笨。”Baker 回忆某个用户对他说过的话。

Baker 的一个同事,David Salesin,建议将 Rosetta@home 变成一个互动游戏。他替 Baker 联系了同在华盛顿大学的计算机科学家 Zoran Popović,后者将这个任务交给了他的一个研究生 Seth Cooper 和博士后 Adrien Treuille。一年后第一个公众测试版就面世了。

在下载并安装这个软件后,你的任务就是将屏幕上显示的一根五颜六色的三维管子弄成正确的形状。你可以随意用鼠标推拉旋转这根管子,程序也提供了一些工具,比如说能扭动骨架的“Tweak”工具,能自动调整侧链位置的“Shake”工具,还有能自动调整骨架的“Wiggle”工具。你得到的每一个蛋白质结构都会被评分,能量越低,分数越高。游戏还有入门练习,可以把你做出来的蛋白质结构和高分的结构进行比较,这对于新手来说很有帮助。

这么多的选择让我无所适从。前十名玩家之一,曾经是第一名的 Sirenbrian,他就有不少的动作组合。他的真实身份是佛罗里达州的一位软件工程师 Brian Smith,每晚都玩几个小时的 Foldit。他经典的动作组合有“局部 Wiggle”、“遍历骨架”、“切割”和“Brian 化”。他将整个结构的一个小片段分离出来,然后对它使用“Wiggle”工具来降低能量。

曾经是第一名的玩家 Charles Cusack(昵称是“Ferzle”,现在排名 23)是密歇根州荷尔兰的霍普大学计算机科学系的助理教授,他的策略很简单:稍微拉动蛋白质的骨架,“Shake”然后“Wiggle”,然后不断重复这样的步骤。“你只需要让它稍作改变,”他说,“然后让算法解决问题。”

熬夜玩这个蛋白质折叠的游戏可能看起来有点孤独,但是装备了聊天窗口、Wiki、决斗模式和团队合作的 Foldit 已经成为了一个在线社区,玩家可以在其中互相帮助互相学习。自从五月程序公测之后,Foldit 已经有超过五万人次的下载了。通常会有几百人在线,有的单兵作战,有的团队合作,而每个小时平均会有大概五六个新玩家加入。在这些玩家中,只有一半是生物专业的,其他人从软件工程师到历史学家,从老太太到中学生都有。

尽管 Baker 博士会在 Foldit 的网站上贴出每次优胜者的名单,但并没有任何奖品。但对于玩家来说,游戏的目的不仅仅是获得高分。“这是一个帮助推进现有科学研究进程的游戏,”Sirenbrian 说,“我们可能正在发展一种分析蛋白质的方法,这也是帮助他人的一种方式。”只有高中学历,现在是三个孩子的祖母的 Thrianya 在她的用户档案中说:“我喜欢推着这些一片片的东西玩,而我也非常喜欢跟世界各地跟我有这种相同爱好的人聊天。”

Baker 博士和他的团队也从玩家惯用的招数上学了不少东西。最成功的操作方法将会被整合到 Rosetta@home 里边,令计算程序更有效。

Foldit 的开发者有时候也会出钱让前几名的玩家到西雅图,然后看着他们玩游戏。在八月上旬 Sirenbrian 就在 Foldit 的总部停留过一天半。“他们采访我,将我玩游戏的情况录了像,我们还讨论了一些我想要的新工具和特性,”他说。他建议添加一个“Squeeze”功能,用以将整个结构压缩,使蛋白质更加紧致,从而能量更低。他还建议添加对“Wiggle”工具的速度限制。

Sirenbrian 对 Foldit 的最严重的抱怨就是这个游戏缺乏对玩家的指导。“就像是给陷在困境中的玩家扔了一大堆的工具,”他说,“然后看我们会怎么做。”

但从 Baker 博士眼中看来,这就是目的。“我们显然不清楚(折叠蛋白质的)最好策略是什么,所以我们做了一些小工具,看看人们会用它们干点什么。”

尽管这样,Popović 说,在玩家的反馈下,Foldit 提供的工具已经比五月刚刚开始发布的时候多了一倍。现在有一个笔记工具,能让玩家在结构上挂上标签,供其他人参考,还有一个工具可以改变某个氨基酸所处的结构状态(螺旋、链状和片状)。

可能很快在 Foldit 发布的下一个新版本中,开发者们会依靠玩家的智慧来设计全新的蛋白,这个新版本可能会在十月或者十一月发布。新版本给玩家的任务非常具有挑战性:设计全新的蛋白质,这些蛋白质可能会用于开发新的艾滋病疫苗或者生物燃料。Baker 博士打算在每次挑战中挑选前十名的答案来进行合成,然后看看它们的效果如何。

“我们希望能定义这种全新的游戏,我们将会把它称为‘科学发现游戏’,”Popović 说,“主要的想法就是在科学中寻找这样的一些问题,解决这些问题不需要人们在该领域接受博士教育,只需要动用人类解决问题的能力就行了。”