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通过游戏搞科研,让玩家参与设计全新蛋白质

2019-06-18
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近日,一支研究团队将他们的专业知识编码成了一款名为“ Foldit ”的电脑游戏,使每个普通人都可能成为成功设计全新人造蛋白质的“科学家”。


这项合作的初步成果发表在近日的 Nature 杂志上。华盛顿大学医学院蛋白质设计研究所领导了这项多机构合作的研究。

华盛顿大学医学院生物化学教授、蛋白质设计研究所所长 David Baker 是本文的共同通讯作者,他表示,有可能存在的蛋白质比宇宙中的原子还多,现在任何人都可以来帮助一起探索这个具有广阔可能的“宇宙”,十分令人兴奋。

游戏玩家们想出的分子所呈现的多样性非常惊人,”本文第一作者、蛋白质设计研究所博士后研究员 Brian Koepnick 说。“这些新的蛋白质绝不比博士水平的科学家制造的东西差。


视频 | 通过玩游戏 Foldit,玩家能帮助蛋白质研究者创造全新疫苗、癌症疗法及更多应用(来源:UW MEDICINE)


Foldit 创建于 2008 年,其目的是将蛋白质研究“游戏化”。蛋白质是存在于生物体每个细胞内的基本生物分子,其复杂的三维结构令它们具有多种多样的功能,包括消化、伤口愈合、自身免疫等等。

通过玩游戏,Foldit 玩家已经帮助确定了 HIV 相关蛋白的结构,以及提高了一些酶的活性。然而在此之前,Foldit 玩家只能“玩”自然中存在的蛋白质,没有办法设计新的蛋白质。

本研究共同通讯作者,美国东北大学计算机科学学院助理教授 Seth Cooper 表示,长期以来,设计自然界中不存在的全新蛋白质一直是设计 Foldit 的目标,现在这一系列新的结果表明这并非不可能。

那么,游戏玩家能创造出下一个重磅药吗?

研究人员将生化知识编码到游戏中,设计出了 Foldit 蛋白质设计平台。在现实中按照预期折叠起来的蛋白质分子会在 Foldit 里得分越高。

研究人员表示,他们并没有给 Foldit 玩家上过任何课,也没让他们读任何材料,只是调整了多年以来使游戏运行的代码。

科学家们在实验室中测试了由 Foldit 玩家设计的 146 种蛋白质,其中 56 种可以稳定存在。这一发现表明,游戏玩家设计出了逼真的蛋白质。研究人员收集了其中 4 种新蛋白分子的大量数据,用来证明这些分子与他们所设想的结构一致。


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创造新的蛋白质,有点像试图用比人类头发细一百万倍的绳子打一个从未见过的结。到目前为止,只有一小部分专家对生物分子的扭曲和旋转方式有深入的了解。他们大多数使用自动化的分子设计算法,但其中大多数设计算法失败的次数远比成功的次数多得多。

本研究共同通讯作者、麻省大学达特茅斯分校计算机科学助理教授 Firas Khatib 说,“我们一直在尝试优化算法,但其实有人的参与才是关键,实际上,使用 Foldit 设计的过程中,玩家甚至发现了我们最先进的蛋白质设计方法。

蛋白质设计是一门新兴学科。在过去的五年里,蛋白质设计研究所的专家和他们的同事已经创造出了能够刺激免疫系统对抗癌症的全新蛋白质,以及其它可以作为疫苗的候选蛋白质。

今年 4 月,蛋白质设计研究所通过 TED 组织的慈善合作项目 Audacious  Project获得了 4500 万美元的资金承诺,用于设计基于蛋白质的疫苗、药物和材料。

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