公民科學家通常被要求執(zhí)行平凡的任務：提供剩余的計算能力或運用模式識別技能。但現(xiàn)在公民科學家可以做更令人興奮的事情。在一個名為Foldit的視頻游戲環(huán)境中，他們可以幫助設計新穎的合成蛋白質(zhì)。

雖然玩Foldit可能無法改善游戲玩家的手眼協(xié)調(diào)能力，但它會讓他們參與創(chuàng)造性工作。更好的是，在Foldit中表現(xiàn)出色的游戲玩家可能會獲得在現(xiàn)實世界中獲得積分的積分。例如，游戲玩家可以設計導致醫(yī)學中新穎應用的結(jié)構(gòu)，例如疫苗和生物藥物，以及其他領(lǐng)域。

Foldit的工作始于2008年，由華盛頓大學(UW)蛋白質(zhì)設計研究所的科學家領(lǐng)導。現(xiàn)在 - 在玩家設計的多次迭代，最佳得分解決方案的分析以及隨后的游戲改進之后 - 來自羅格斯大學，馬薩諸塞州達特茅斯大學，東北大學和其他機構(gòu)的威斯康星大學科學家和同事報告說，玩家確實設計了潛在的有用的蛋白質(zhì)

“這些游戲玩家提出的分子多樣性令人驚訝，”蛋白質(zhì)設計研究所博士后研究員Brian Koepnick博士說。“這些新蛋白質(zhì)絕不遜色于博士級科學家可能制造的東西。”

通過游戲玩法，F(xiàn)oldit玩家?guī)椭_定了HIV相關(guān)蛋白的結(jié)構(gòu)并改善了有用酶的活性。然而，到目前為止，F(xiàn)oldit玩家只能與已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)相互作用。沒有辦法設計新的。

設計一種在自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)一直是我們Foldit長期以來的目標，”東北大學Khoury計算機科學學院助理教授Seth Cooper博士說。“這一系列新結(jié)果表明這是可能的。”

這些新結(jié)果發(fā)表在6月5日的“ 自然 ”雜志上，題為“ 公民科學家的從頭蛋白質(zhì)設計。”它描述了研究人員如何通過將生化知識編碼到游戲中，將Foldit變成蛋白質(zhì)設計的平臺。在修訂后的游戲中，得分良好的設計師分子更有可能在現(xiàn)實世界中按照預期折疊。

該文章的作者寫道：“用天然存在的蛋白質(zhì)無關(guān)序列的一百四十六個Foldit播放器設計用合成基因編碼。” “[這些設計中]，56種被發(fā)現(xiàn)表達并可溶于大腸桿菌，并在溶液中采用穩(wěn)定的單體折疊結(jié)構(gòu)。”

作者指出，這些結(jié)構(gòu)的多樣性在從頭蛋白質(zhì)設計中是前所未有的，代表了20種不同的折疊 - 包括在天然蛋白質(zhì)中未觀察到的新折疊。“他們補充說，”高分辨率結(jié)構(gòu)“已經(jīng)確定了四種設計，并且?guī)缀跖c播放器型號完全相同。”

這些結(jié)果表明，F(xiàn)oldit可以將生物化學專家的隱含知識掌握在游戲玩家的手中，然后游戲玩家能夠為蛋白質(zhì)設計問題提供自己的創(chuàng)造力和直覺。

“有更多可能的蛋白質(zhì)，而不是宇宙中的原子。令人興奮的是，現(xiàn)在任何人都可以幫助探索這個巨大的可能性空間，“大衛(wèi)貝克博士，自然文章的高級合著者，威斯康星大學醫(yī)學院生物化學教授，蛋白質(zhì)設計研究所所長說。

蛋白質(zhì)骨架等設計元素的完整計算機枚舉是不可能的; 因此，F(xiàn)oldit試圖利用人體因素，讓玩家嘗試多肽鏈可用的構(gòu)象，這對于適度大小的蛋白質(zhì)來說是巨大的。

“我們沒有給[Foldit球員]任何講座或告訴他們閱讀任何內(nèi)容，”馬薩諸塞州達特茅斯大學計算機科學助理教授Firas Khatib博士回憶道。“相反，我們調(diào)整了多年來運行游戲的代碼。”

“我永遠不會相信他們會得到那么好，”他繼續(xù)道，“但是Foldit球員從未停止讓我們驚訝。”

制作新蛋白質(zhì)有點像嘗試使用比人類頭發(fā)薄一百萬倍的繩索來打結(jié)從未見過的結(jié)。迄今為止，只有一小部分專家對生物分子的扭曲方式有著深入的了解，并對這項極為復雜的任務感到困擾。大多數(shù)人使用自動化分子設計算法，大多數(shù)設計算法失敗的次數(shù)遠多于成功。

“我們總是試圖讓算法更好，但人的因素是關(guān)鍵，”Khatib強調(diào)說。“事實上，通過Foldit設計，玩家甚至發(fā)現(xiàn)了Rosetta能量功能中的缺陷 - 我們最先進的蛋白質(zhì)設計方法。”

蛋白質(zhì)設計是一門新興的科學學科。在過去的五年中，蛋白質(zhì)設計研究所的專家和他們的同事創(chuàng)造了刺激免疫系統(tǒng)對抗癌癥的蛋白質(zhì)和其他作為有效候選疫苗的蛋白質(zhì)。

玩家可以做出這樣的努力嗎?在他們達到“游戲結(jié)束”之前，F(xiàn)oldit玩家甚至可以創(chuàng)造下一個重磅炸彈藥物。

“Foldit球員是研究武器庫的新成員，”Khatib斷言。“它們不是一顆銀彈，但它們是一種驚人的資源。”