In der aktuellen Nature findet sich ein Artikel zu Foldit, einem Spiel mit dem die Talente tausender Spieler zur Erforschung von Proteinstrukturen eingesetzt werden. Die Bestimmung der genauen Struktur von Proteinen ist eines der Top-Ten Probleme der Biologie, und da ich auch daran arbeite, bietet Foldit eine gute Gelegenheit, mal darüber zu schreiben.
Proteine sind – achtung langweiliges Schulwissen – die Maschinen des Körpers. Vom berühmten Effekt der Stärkespaltung im Mund bis zur Muskelkontraktion oder der Synthese von Neurotransmittern wie Serotonin oder Dopamin wird (fast) jeder Stoffwechselvorgang bei allen Lebewesen von Proteinen vollbracht. Jedes Protein besteht aus einer Kette aus zwanzig verschiedenen Aminosäuren. Diese unterschiedlichen Aminosäuren interagieren miteinander. Einige sind groß, andere klein. Manche positiv, andere negativ geladen. Die Perlenkette faltet sich daher in sich selbst in eine dreidimensionale Struktur. Die Abfolge der Aminosäuren in der Kette ist dabei bekannt – sie ergibt sich direkt über den genetischen Code aus der DNA-Sequenz eines Genes. Wie diese Kette sich dann faltet ist jedoch bisher nicht vorherzusagen. Lediglich durch teure und zeitaufwändige Experimente, vor allem durch den Beschuss mit Röntgenstrahlen und die Interpretation der entstehenden Bilder ist es bisher gelungen, einige tausend Strukturen zu lösen. Bei großen und insbesondere wasserabweisenden Proteinen ist dies jedoch besonders schwer, da für die Röntgenexperimente erst Kristalle der Proteine gezüchtet werden müssen, und dafür müssen sie wasserlöslich sein.
Der heilige Gral ist daher eine Methode oder ein Algorithmus, der aus der bekannten Sequenz die Struktur des Proteins vorhersagt. Teilweise funktioniert dies schon recht gut. Allerdings nur dort, wo bereits die Struktur ähnlicher Proteine bekannt ist. Das Problem ist so schwer und bedeutend, dass ein eigener Wettbewerb geschaffen wurde, in dem alle zwei Jahre Arbeitsgruppen aus aller Welt ihre Algorithmen gegeneinander antreten lassen. Der durchschlagende Erfolg ist bisher jedoch ausgeblieben.
Die Arbeitsgruppe um David Baker war mit ihrer Software Rosetta dabei in den vergangenen Durchgängen immer vorne mit dabei. Mit Foldit erproben sie nun eine neue Strategie. Zusätzlich zur nakten Rechenkraft der Computer sollen die menschlichen Fähigkeit zur Mustererkennung angezapft werden. Denn Proteine scheinen sich nach wiederholenden Mustern zu falten, die formal schwer erfasst werden können, menschlicher Intuition aber vielleicht nicht entkommen. Schließlich fliegt keine Wolke vorbei, in der wir kein Gesicht finden könnten.
Foldit ist nicht nur eine gute Idee sondern auch exzellent umgesetzt. Ich kenne keine Anwendung, in der dreidimensionale Strukturen so einfach manipuliert werden können. Die bekannten physikalischen Eigenschaften des jeweiligen Proteins werden dargestellt und bestimmen zugleich das Ziel. Hydrophobe (wasserabweisende) Bereiche des Proteins versucht der Spieler so innerhalb des Proteins zu verstecken, wo sie dem umgebenden Wasser nicht ausgesetzt sind.
Trotz des Erfolgs des Spiels sind die Ergebnisse zur Zeit vielleicht noch nicht direkt brauchbar. Ein wichtiges Ziel der Entwickler ist es aber auch, die Strategien der menschlichen Spieler zu erfassen und zu verstehen, um sie im nächsten Schritt vielleicht in Software zu giessen.
Das Nature-Paper führt Foldit players auch als Koautoren auf. Wenn man das ernst nimmt, ist meine Erdös-Zahl jetzt <=5. Aber ich war ja auch schon Time’s Man of the Year 2006.
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