Новая компьютерная игра под названием FoldIt (если по-русски, СверниЭто), превращает проблему предсказания трёхмерного строения белков в увлекательное соревнование. Встроенные в игру «обучающие уровни» познакомят играющего с «правилами» — то есть, с физическими законами, которым подчиняется полипептидная цепь, сворачиваясь в уникальную структуру, являющуюся ключом к биологической функции этого белка, будь то патоген болезни Альцгеймера или спасительная вакцина. После примерно 20 минут обучения у новоиспечённого геймера может возникнуть ощущение, что он и впрямь играет в какую-то занимательную видеоигру, — хотя на самом деле его манипуляции с виртуальной молекулой послужат на благо самой настоящей науке, цели которой намного серьезнее, чем просто развлечение праздных игроков. Игра доступна бесплатно на одноимённом сайте fold.it [1].

Игра была создана исследователями из Университета Вашингтона под руководством профессоров информатики и инженерного дела Зорана Поповица (Zoran Popovic) и Дэвида Салесина (David Salesin), а также профессора биохимии Дэвида Бэйкера (David Baker), о работе лаборатории которого мы уже неоднократно писали (см., например, «Новые успехи в предсказании пространственной структуры белков» [2] и «Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков» [3]). В процессе разработки игры принимали участие и профессионалы игровой индустрии.

«Возможно, нам удастся изменить то, каким образом делается наука, и даже то, кем она делается, — сказал Поповиц в своём выступлении на съезде «Игры — Здоровью», прошедшем в Балтиморе. — Мы стремимся к тому, чтобы обычные люди, играющие в видеоигру, могли однажды стать кандидатами на Нобелевскую премию».

Белки, которых в человеческом организме больше, чем число кодирующих их генов, — за счёт посттрансляционных модификаций или специфических процессов, в результате которых возникают уникальные антитела, — являются основой жизни. И если аминокислотная последовательность каждого из них известна, то пространственное строение очень многих из них остаётся пока не разгаданным. Компьютерные алгоритмы не могут перебрать все возможные варианты строения белков «в лоб», чтобы выбрать из них наилучшее решение: ограничением является астрономическое число вариантов, которое пришлось бы перебрать, если бы задача была поставлена именно таким образом, и всем компьютерам на планете не хватило бы и сотен лет, чтобы решить её. В 2005 году под руководством Дэвида Бэйкера был запущен распределённый проект Rosetta@home, объединяющий мощь компьютеров тех людей, которые присоединились к проекту на добровольных началах. Но даже компьютеров 200 000 участников оказывается недостаточно.

«Существует слишком много вариантов [строения молекулы], чтобы компьютеры могли перебрать их все, — говорит Бэйкер. — Распределённые проекты вроде нашей Rosetta@home показывают неплохие результаты на маленьких белкáх, но с увеличением размеров моделируемого белкá сложность проблемы возрастает нелинейно, и компьютерные алгоритмы уже не могут дать правильного ответа. Однако же люди, используя свою интуицию, могут получить правильный ответ намного быстрее».

Игра FoldIt, как и распределённая вычислительная сеть Rosetta@home, основана на «движке» Rosetta, предназначенном для моделирования пространственной упаковки белков. Однако ключевой особенностью FoldIt по сравнению с любыми другими проектами по компьютерному фолдингу белков является то, что он требует от участника нечто большее, чем просто неиспользуемое процессорное время его персоналки или игровой приставки. FoldIt — и в этом заключается новизна игры — заимствует у людей их способность к решению трёхмерных головоломок, которой и представляется задача по «сворачиванию» очередного белкá. Решение каждой головоломки сопровождается суммой баллов, напрямую связанной со значением потенциальной энергии белкá в конформации, в которую его удалось свернуть игроку.

Причём, что интересно, интуитивная способность, позволяющая кому-либо хорошо играть в FoldIt (а результаты каждой «головоломки» в реальном времени сравниваются через интернет с другими игроками), практически не имеет ничего общего с качествами, необходимыми настоящему учёному-биологу. Бэйкер рассказывает, что его 13-летний сын сворачивает белки намного быстрее, чем он сам. (Тут речь, очевидно, идёт про «тренировочные» уровни, ответ в которых известен, и, следовательно, можно с уверенностью сказать, когда процесс «сборки» можно считать законченным.) А ведь другие могут работать ещё быстрее. «Я представляю себе 12-летнего вундеркинда где-нибудь в Индонезии, который в своей голове может вообразить всё то, что мы тут считаем неделями на мощнейших компьютерах», — мечтает Бэйкер.

Таким образом, суть этого эксперимента заключается в том, чтобы найти среди не-учёных необыкновенных дарований, наделённых природным даром «чувствовать» структуру белков. «Некоторым людям удаётся, только взглянув на игру и, повертев молекулу всего пару минут, набрать максимальный балл, — говорит Поповиц. — Они и не могут толком объяснить, что именно они делают и как они это делают, но каким-то неведомым образом у них всё же есть эта способность».

Сама игра представляет из себя что-то вроде тетриса XXI века — весь экран заполняет цветная «змейка», которую можно по-разному крутить, складывать и сворачивать (с помощью компьютерной мыши). Команда исследователей из Университета Вашингтона, включая аспирантов и студентов, затратила больше года на то, чтобы изобрести такой дизайн, который был бы одновременно развлекательным и научно корректным. Им пришлось решить многие проблемы, с которыми не приходится сталкиваться разработчикам «обычных» компьютерных игр.

«Поскольку нам неизвестен лучший результат, мы не можем помочь игрокам и подтолкнуть их к цели», — объясняет сложности Поповиц. Также они не могли назначить отдельному взятому ходу какой-либо «бонус», — например, 1000 очков, — потому что баллы находятся в прямой связи с энергией, которой обладает белок в этой конформации.

Последние несколько недель около 1000 игроков тестировали систему в режиме работы с известными структурами, чтобы наладить систему рейтингов и другие тонкости игрового процесса. Однако начиная с совсем недавнего времени, в число доступных «головоломок» добавлены белки с неизвестной структурой, «выставленные» на соревнование CASP (об этом соревновании см. «Торжество компьютерных методов...» [3]). Таким образом, уже сейчас мы становимся свидетелями уникальной схватки «профессионалы против любителей», и как бы не оказалось, что дилетанты «на глазок» выдают результат лучший, чем высоколобые учёные!

Разработчики обещают, что через какое-то время игроки смогут примерить на себя роль не только «предсказателя», но и «дизайнера», соревнуясь друг с другом в виртуальном создании ферментов с новыми функциями, — например, способных разлагать токсичные отходы или абсорбировать и усваивать диоксид углерода прямо из воздуха. (Кое-какие успехи по дизайну ферментов с не встречающимися в природе функциями уже достигнуты, и в группе того же Дэвида Бэйкера, — см. «Дизайнерские ферменты на службе общества» [4].) Компьютеры — раз уж пока не годятся на роль творцов — возьмут на себя выполнение простых операций, таких как простая оптимизация молекулы, позволив игрокам сконцентрироваться на действительно интересных «ходах».

В конечном счете, учёные планируют «схватиться» с каким-нибудь злейшим врагом человечества, — таким как малярия или ВИЧ, — предложив игрокам своей виртуальной белкóвой вселенной «изобрести» такой белок, который бы идеально блокировал тот или иной патоген и позволил в конце концов победить заболевание. Наиболее перспективные дизайны в каждом из заданий будут «переведены из виртуала в реал» и синтезированы в лаборатории Бэйкера, где их активность проверят уже на настоящих биохимических системах. Наиболее успешных игроков планируется «премировать» благодарностями в научных публикациях — как уже благодарили наиболее активных пользователей сети Rosetta@home, — а там, глядишь, могут начать раздавать и более существенные призы.

«В долгосрочной перспективе нам хотелось бы вовлечь существенную часть населения Земли в решение биомедицинских задач в игровой форме и в форме эффективного сотрудничества, — говорит Бэйкер. — Мы пытаемся использовать потенциал мозга людей по всему миру, чтобы интенсифицировать исследования в области биологии и медицины».

FoldIt включает распространённые элементы большинства онлайновых игр: образование команд пользователей, чаты, персональные страницы и профайлы. Через какое-то время исследователи планируют проанализировать поведение наиболее успешных игроков, чтобы, возможно, выявить в нём скрытые закономерности. Эта информация будет использоваться для дальнейшего развития и совершенствования игры.

Создание этой «исследовательской игры» профинансировано Управлением перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA), Медицинским институтом имени Ховарда Хьюза, корпорациями Microsoft и Adobe; в разработке также участвовали специалисты Nvidia и Intel.

Литература

1. Computer game's high score could earn the Nobel Prize in medicine. (2008). ScienceDaily;
2. Новые успехи в предсказании пространственной структуры белков;
3. Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков;
4. Дизайнерские ферменты на службе общества.