C'est l'une des énigmes protéiques auxquelles les joueurs peuvent être confrontés lorsqu'ils jouent à Foldit. Cliquez ici pour voir une vue plus grande de cette image. Capture d'écran avec l'aimable autorisation du Center for Game Science, Informatique et génie, Université de Washington Jouer à des jeux vidéo n'est pas vraiment sorcier mais, grâce à Foldit, il peut s'agir de biologie moléculaire.
Sorte de.
Développé en 2008 par des chercheurs de l'Université de Washington, le jeu en ligne multijoueur augmente le talent de l'esprit humain pour le raisonnement spatial grâce à la matière grise de dizaines de milliers de joueurs. En solo et en équipe, ces analystes amateurs rivalisent pour résoudre les énigmes les plus déroutantes qui agacent les biologistes moléculaires d'aujourd'hui :comment les protéines individuelles et leurs acides aminés se replient.
La réponse vaut plus que de se vanter ou de déverrouiller des réalisations (le jeu parle lorsqu'un joueur accomplit une tâche particulièrement impressionnante); il fournit les moyens de fournir des médicaments qui pourraient un jour arrêter des maladies comme le virus de l'immunodéficience humaine (VIH) dans leur élan.
Il n'est pas étonnant qu'un tel buzz s'est ensuivi lorsqu'une publication de 2011 dans la revue Nature Structural &Molecular Biology a rapporté que les joueurs de Foldit avaient démêlé une protéine clé dans Virus du singe Mason-Pfizer ( MPMV ), la version simienne du VIH, qui avait paralysé les chercheurs pendant plus d'une décennie.
Comme John Henry contre le marteau à vapeur ou Garry Kasparov contre Deep Blue, Les joueurs de Foldit ont montré que les humains ont encore une chose ou deux à enseigner aux machines; contrairement à Henri, qui est mort, ou Kasparov, qui a perdu dans un match revanche, les joueurs qui plient les protéines ont toujours un avantage sur le calcul de la force brute des superordinateurs.
Pour comprendre la portée de cette réalisation et ce qu'elle pourrait signifier pour l'avenir du VIH, Voyons pourquoi comprendre comment une protéine se replie est si important.
Voici un rapide, ventilation visuelle montrant comment les protéines s'intègrent à notre constitution génétique. Image reproduite avec l'aimable autorisation des programmes de génome du département américain de l'énergie Les protéines sont responsables de nombreuses fonctions dans le corps, tout, de la conversion des aliments en énergie à la transmission de messages chimiques. L'origami particulier de chaque protéine détermine à la fois son rôle et sa capacité à se connecter avec d'autres molécules. C'est comme si une protéine était une chaîne composée de mille verrous, tout en boule :si vous vouliez concevoir un médicament pour l'affecter, vous auriez besoin de savoir quelles serrures ont été tournées vers l'extérieur, et dans quel modèle, afin que vous puissiez couper un jeu de clés pour les adapter.
Des protéines particulières jouent un rôle central dans les chaînes d'événements clés. Les chercheurs apprécient ces protéines car elles représentent une vulnérabilité qu'ils peuvent exploiter pour ralentir ou arrêter une maladie, comprenant rétrovirus comme le VIH et le MPMV. UNE rétrovirus est un virus qui transporte son information génétique sous forme d'acide ribonucléique (ARN) au lieu d'ADN. Ces virus transcrivent leur ARN en ADN, au lieu de l'inverse, en mêlant en permanence leur code génétique dans le génome de la cellule infectée et en le transformant en une usine à fabriquer plus de rétrovirus.
Les rétrovirus reposent sur un catalyseur protéique appelé enzyme protéase dans le cadre de leur processus de reproduction. L'inhibition de cette protéine jette une clé à molette dans la machine de destruction d'un rétrovirus. En effet, de tels inhibiteurs de protéase sont déjà utilisés pour traiter l'infection par le VIH chez les patients atteints du SIDA [source :Britannica].
Malheureusement, découvrir la structure de ces protéines est l'une des énigmes les plus difficiles que nous connaissions. Imaginez remplir une boîte géante de lumières de sapin de Noël enchevêtrées, jouets Slinky désaffectés, fil barbelé, ruban adhésif et électro-aimants, puis le secouer et le retourner, et enfin essayer de deviner quelle forme vous aviez faite. Vous avez seulement commencé à gratter la surface de la complexité de cette tâche. Les protéines peuvent être constituées de plus de 10, 000 atomes chacun, former des chaînes, sous-chaînes et liaisons dans d'innombrables combinaisons; En réalité, il y a plus de façons de plier une protéine qu'il n'y a d'atomes dans l'univers [source :Bohannon].
Une telle complexité est plus que même un supercalculateur peut parfois gérer, en particulier parce que les ordinateurs ne sont pas particulièrement doués pour travailler avec des formes tridimensionnelles. Donc, les scientifiques ont commencé à chercher un moyen plus rapide et plus efficace de craquer les structures des protéines. Leur solution ? Utilisez les capacités innées d'analyse spatiale du cerveau humain. Foldit est né. Presque immédiatement, il a commencé à payer des dividendes.
Dans cette prochaine section, nous allons examiner de plus près le fonctionnement de Foldit, ce que les joueurs ont accompli avec et s'ils ont guéri ou non le VIH.
Une partie essentielle du métier d'horloger consiste à assembler une collection de pièces délicates dans un espace le plus compact possible, tout en veillant à ce que les quartiers serrés n'interfèrent pas avec la fonction du garde-temps.
Dans Foldit, les joueurs utilisent une simple boîte d'outils pour manipuler la forme d'une protéine. L'idée est de se plier, tourner, déplacer et secouer les chaînes latérales de la protéine et les squelettes d'acides aminés de sorte que toute la structure soit emballée dans sa forme optimale. Les joueurs savent que leur solution fonctionne lorsqu'ils se débarrassent des collisions entre les chaînes latérales d'atomes, cacher les chaînes hydrophobes à l'intérieur de la protéine, faire face aux chaînes hydrophiles vers l'extérieur et éliminer les grands espaces vides qui menacent la stabilité de la protéine - ce qui se reflète dans leur score.
Le score, ainsi que les règles régissant les mouvements autorisés, dérive des lois de la physique régissant le repliement des protéines. La thermodynamique nous dit que les systèmes naturels tendent vers des états de plus faible énergie. D'autres lois physiques, comme l'attraction mutuelle de charges opposées, répulsion de charges similaires et limitations concernant la manière dont les liaisons atomiques peuvent être arrangées et tournées, sont également intégrés.
Le programme Foldit résume les détails sous une forme que l'œil peut percevoir et que le cerveau peut saisir. La physique est traitée en coulisses, libérer les joueurs pour manipuler les formes via une analyse minutieuse, instinct ou toute autre méthode qui leur convient.
Moins d'un an après son introduction, Les joueurs de Foldit ont produit des solutions de repliement des protéines qui surpassent celles proposées par les biologistes moléculaires. Inspiré par les premiers succès, Les créateurs de Foldit ont appliqué le programme à d'autres protéines et ont chargé les joueurs de concevoir de nouvelles protéines pour lutter contre le cancer, Sida et maladie d'Alzheimer. Par exemple, la protéine suppresseur de tumeur p53 est endommagée chez de nombreux patients cancéreux. En cas de réparation ou de remplacement, une telle protéine pourrait arrêter la croissance tumorale.
Réussir à dérouter l'enzyme protéase MPMV est la pierre angulaire de la carrière de Foldit jusqu'à présent. Avant qu'ils n'y arrivent cependant, les joueurs ont parcouru des dizaines de milliers de prototypes en constante amélioration jusqu'à ce que, moins de trois semaines après leur début, ils avaient résolu cette énigme particulière des protéines [source :Niemeyer]. Ce n'était pas un remède contre le VIH mais, grâce à un air de famille rétroviral, Le catalyseur protéique de MPMV aidera les chercheurs à mettre au point de meilleurs médicaments antirétroviraux pour lutter contre le VIH.
Foldit n'est pas sans limites, ce n'est pas non plus une pierre de Rosette pour toutes les protéines. Néanmoins, il a permis à une foule d'acteurs de prédire la structure d'une protéine qui avait défié toutes les approches traditionnelles, et cela seul justifie sa valeur en tant qu'outil d'analyse moléculaire.
Crowdsourcing et informatique distribuéeDe plus en plus, les scientifiques profitent des collaborations de masse pour générer des idées à moindre coût et apporter une grande variété de points de vue sur les questions de recherche. Foldit est une forme assistée par ordinateur de tels crowdsourcing , mais les foules peuvent aussi aider les ordinateurs. Par exemple, dans informatique distribuée , les gens donnent volontairement le temps d'inactivité de leur ordinateur pour qu'il soit utilisé pour résoudre un problème. Individuellement, ces cycles de traitement ne comptent pas pour grand-chose, mais combiné, ils s'ajoutent à un supercalculateur virtuel. Rendu célèbre par la recherche du programme SETI@home de l'intelligence extraterrestre, l'informatique distribuée aide également à modéliser les structures des protéines. Rosetta@home, également développé à l'Université de Washington, a été installé sur des centaines de milliers de machines hôtes, fournir une alternative précieuse aux techniques plus traditionnelles d'analyse des protéines, tel que Cristallographie aux rayons X et spectroscopie de résonance magnétique nucléaire ( RMN ).
