蛋白質(zhì)研究“游戲化”,玩家也能創(chuàng)造全新疫苗、癌癥療法及更多應用

近日，一支研究團隊將他們的專業(yè)知識編碼成了一款名為“ Foldit ”的電腦游戲，使每個普通人都可能成為成功設計全新人造蛋白質(zhì)的“科學家”。這項合作的初步成果發(fā)表在近日的 Nature 雜志上。華盛頓大學醫(yī)學院蛋白質(zhì)設計研究所領導了這項多機構(gòu)合作的研究。華盛頓大學醫(yī)學院生物化學教授、蛋白質(zhì)設計研究所所長 David Baker 是本文的共同通訊作者，他表示，有可能存在的蛋白質(zhì)比宇宙中的原子還多，現(xiàn)在任何人都可以來幫助一起探索這個具有廣闊可能的“宇宙”，十分令人興奮?！坝螒蛲婕覀兿氤龅姆肿铀尸F(xiàn)的多樣性非常驚人，”本文第一作者、蛋白質(zhì)設計研究所博士后研究員 Brian Koepnick 說?！斑@些新的蛋白質(zhì)絕不比博士水平的科學家制造的東西差?！?/span>

Foldit 創(chuàng)建于 2008 年，其目的是將蛋白質(zhì)研究“游戲化”。蛋白質(zhì)是存在于生物體每個細胞內(nèi)的基本生物分子，其復雜的三維結(jié)構(gòu)令它們具有多種多樣的功能，包括消化、傷口愈合、自身免疫等等。通過玩游戲，F(xiàn)oldit 玩家已經(jīng)幫助確定了 HIV 相關蛋白的結(jié)構(gòu)，以及提高了一些酶的活性。然而在此之前，F(xiàn)oldit 玩家只能“玩”自然中存在的蛋白質(zhì)，沒有辦法設計新的蛋白質(zhì)。本研究共同通訊作者，美國東北大學計算機科學學院助理教授 Seth Cooper 表示，長期以來，設計自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)一直是設計 Foldit 的目標，現(xiàn)在這一系列新的結(jié)果表明這并非不可能。那么，游戲玩家能創(chuàng)造出下一個重磅藥嗎？研究人員將生化知識編碼到游戲中，設計出了 Foldit 蛋白質(zhì)設計平臺。在現(xiàn)實中按照預期折疊起來的蛋白質(zhì)分子會在 Foldit 里得分越高。研究人員表示，他們并沒有給 Foldit 玩家上過任何課，也沒讓他們讀任何材料，只是調(diào)整了多年以來使游戲運行的代碼?？茖W家們在實驗室中測試了由 Foldit 玩家設計的 146 種蛋白質(zhì)，其中 56 種可以穩(wěn)定存在。這一發(fā)現(xiàn)表明，游戲玩家設計出了逼真的蛋白質(zhì)。研究人員收集了其中 4 種新蛋白分子的大量數(shù)據(jù)，用來證明這些分子與他們所設想的結(jié)構(gòu)一致。

創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)，有點像試圖用比人類頭發(fā)細一百萬倍的繩子打一個從未見過的結(jié)。到目前為止，只有一小部分專家對生物分子的扭曲和旋轉(zhuǎn)方式有深入的了解。他們大多數(shù)使用自動化的分子設計算法，但其中大多數(shù)設計算法失敗的次數(shù)遠比成功的次數(shù)多得多。本研究共同通訊作者、麻省大學達特茅斯分校計算機科學助理教授 Firas Khatib 說，“我們一直在嘗試優(yōu)化算法，但其實有人的參與才是關鍵，實際上，使用 Foldit 設計的過程中，玩家甚至發(fā)現(xiàn)了我們最先進的蛋白質(zhì)設計方法?！钡鞍踪|(zhì)設計是一門新興學科。在過去的五年里，蛋白質(zhì)設計研究所的專家和他們的同事已經(jīng)創(chuàng)造出了能夠刺激免疫系統(tǒng)對抗癌癥的全新蛋白質(zhì)，以及其它可以作為疫苗的候選蛋白質(zhì)。今年 4 月，蛋白質(zhì)設計研究所通過 TED 組織的慈善合作項目 Audacious Project獲得了 4500 萬美元的資金承諾，用于設計基于蛋白質(zhì)的疫苗、藥物和材料。