视频游戏挑战公民科学家成为蛋白质设计师

公民科学家通常被要求执行平凡的任务：提供剩余的计算能力或运用模式识别技能。但现在公民科学家可以做更令人兴奋的事情。在一个名为Foldit的视频游戏环境中，他们可以帮助设计新颖的合成蛋白质。

虽然玩Foldit可能无法改善游戏玩家的手眼协调能力，但它会让他们参与创造性工作。更好的是，在Foldit中表现出色的游戏玩家可能会获得在现实世界中获得积分的积分。例如，游戏玩家可以设计导致医学中新颖应用的结构，例如疫苗和生物药物，以及其他领域。

Foldit的工作始于2008年，由华盛顿大学(UW)蛋白质设计研究所的科学家领导。现在 - 在玩家设计的多次迭代，最佳得分解决方案的分析以及随后的游戏改进之后 - 来自罗格斯大学，马萨诸塞州达特茅斯大学，东北大学和其他机构的威斯康星大学科学家和同事报告说，玩家确实设计了潜在的有用的蛋白质

“这些游戏玩家提出的分子多样性令人惊讶，”蛋白质设计研究所博士后研究员Brian Koepnick博士说。“这些新蛋白质绝不逊色于博士级科学家可能制造的东西。”

通过游戏玩法，Foldit玩家帮助确定了HIV相关蛋白的结构并改善了有用酶的活性。然而，到目前为止，Foldit玩家只能与已经存在的蛋白质相互作用。没有办法设计新的。

设计一种在自然界中不存在的全新蛋白质一直是我们Foldit长期以来的目标，”东北大学Khoury计算机科学学院助理教授Seth Cooper博士说。“这一系列新结果表明这是可能的。”

这些新结果发表在6月5日的“ 自然 ”杂志上，题为“ 公民科学家的从头蛋白质设计。”它描述了研究人员如何通过将生化知识编码到游戏中，将Foldit变成蛋白质设计的平台。在修订后的游戏中，得分良好的设计师分子更有可能在现实世界中按照预期折叠。

该文章的作者写道：“用天然存在的蛋白质无关序列的一百四十六个Foldit播放器设计用合成基因编码。” “[这些设计中]，56种被发现表达并可溶于大肠杆菌，并在溶液中采用稳定的单体折叠结构。”

作者指出，这些结构的多样性在从头蛋白质设计中是前所未有的，代表了20种不同的折叠 - 包括在天然蛋白质中未观察到的新折叠。“他们补充说，”高分辨率结构“已经确定了四种设计，并且几乎与播放器型号完全相同。”

这些结果表明，Foldit可以将生物化学专家的隐含知识掌握在游戏玩家的手中，然后游戏玩家能够为蛋白质设计问题提供自己的创造力和直觉。

“有更多可能的蛋白质，而不是宇宙中的原子。令人兴奋的是，现在任何人都可以帮助探索这个巨大的可能性空间，“大卫贝克博士，自然文章的高级合着者，威斯康星大学医学院生物化学教授，蛋白质设计研究所所长说。

蛋白质骨架等设计元素的完整计算机枚举是不可能的; 因此，Foldit试图利用人体因素，让玩家尝试多肽链可用的构象，这对于适度大小的蛋白质来说是巨大的。

“我们没有给[Foldit球员]任何讲座或告诉他们阅读任何内容，”马萨诸塞州达特茅斯大学计算机科学助理教授Firas Khatib博士回忆道。“相反，我们调整了多年来运行游戏的代码。”

“我永远不会相信他们会得到那么好，”他继续道，“但是Foldit球员从未停止让我们惊讶。”

制作新蛋白质有点像尝试使用比人类头发薄一百万倍的绳索来打结从未见过的结。迄今为止，只有一小部分专家对生物分子的扭曲方式有着深入的了解，并对这项极为复杂的任务感到困扰。大多数人使用自动化分子设计算法，大多数设计算法失败的次数远多于成功。

“我们总是试图让算法更好，但人的因素是关键，”Khatib强调说。“事实上，通过Foldit设计，玩家甚至发现了Rosetta能量功能中的缺陷 - 我们最先进的蛋白质设计方法。”

蛋白质设计是一门新兴的科学学科。在过去的五年中，蛋白质设计研究所的专家和他们的同事创造了刺激免疫系统对抗癌症的蛋白质和其他作为有效候选疫苗的蛋白质。

玩家可以做出这样的努力吗?在他们达到“游戏结束”之前，Foldit玩家甚至可以创造下一个重磅炸弹药物。

“Foldit球员是研究武器库的新成员，”Khatib断言。“它们不是一颗银弹，但它们是一种惊人的资源。”