Introduzione: scienza e gioco

FoldIt è un nuovo rivoluzionario gioco per computer che da a te la possibilità di contribuire ad una importante ricerca scientifica. Questa pagina descrive la scienza che sta dietro a FoldIt e come il tuo ruolo da giocatore possa esserle utile.

Cos'è il folding (ripiegamento) proteico?

Cos'è una proteina?

Puzzle 48 - Proteina ripiegata

Le proteine sono gli elementi costitutivi fondamentali di ogni cellula di tutti gli esseri viventi. Il nostro corpo è fatto da miliardi di cellule, di ogni tipo: cellule muscolari, cellule ematiche, cellule nervose e tante altre ancora. All'interno di queste cellule le proteine svolgono la loro funzione per permettere al corpo di compiere la sua attività: scompongono il cibo per dare energia ai muscoli, mandano segnali al cervello per controllare gli arti, trasportano le sostanze nutrienti attraverso il sangue. Esistono migliaia di tipi diversi di proteine, ma tutte hanno qualcosa in comune. In particolare esse sono costituite degli stessi componenti: ogni proteina consiste in una lunga catena di amminoacidi uniti insieme.

Cosa sono gli amminoacidi?

Gli amminoacidi (o aminoacidi) sono piccole molecole fatte di atomi di carbonio, ossigeno, azoto, zolfo e idrogeno. Per costituire una proteina gli amminoacidi si uniscono in catene continue non ramificate, come una fila di persone che si tengono per mano. E proprio come da una fila di persone si vedono sporgere le gambe, ogni amminoacido ha un piccolo gruppo di atomi (chiamato gruppo laterale) che esce dalla catena principale che li connette insieme. Ci sono 20 diversi tipi di amminoacidi che differiscono uno dall'altro in base agli atomi che ne costituiscono i gruppi laterali. Questi 20 amminoacidi vengono classificati in base alle loro proprietà chimiche: acidi o alcalini, idrofili o idrofobi, ovvero che "amano" o meno l'acqua.

In quale forma si ripiega la proteina?

Puzzle 48 - Proteina non ripiegata ed instabile

Sebbene le proteine siano solo una lunga catena di amminoacidi, non gli piace rimanere in forma allungata. Le proteine si ripiegano formando una struttura compatta facendo così in modo che alcuni amminoacidi staranno verso il centro della struttura, altri verso l'esterno, alcune coppie di amminoacidi saranno vicine, altre lontane. Ogni tipo di proteina si ripiega in un modo specifico: la stessa forma ogni volta. La maggior parte delle proteine si ripiega in modo naturale ma alcune hanno bisogno di un piccolo aiuto per ripiegarsi nella giusta forma. La particolare forma che assume ogni singola proteina è quella più stabile che può adottare. Immaginate una palla in cima a una salita: la palla rotolerà sempre verso il basso. Se cercate di riportarla su, lei tornerà a rotolare giù perché quella è la posizione più stabile che può occupare, ferma in basso.

Perché la forma è importante?

La struttura della proteina definisce la funzione della proteina. Per esempio una proteina che elabora il glucosio, così che la cellula possa sfruttare l'energia contenuta nei suoi zuccheri, avrà una forma che riconosce il glucosio e a questo si legherà (come una chiave con la toppa) e i suoi amminoacidi reattivi attaccheranno il glucosio sciogliendolo e liberando energia.

Cosa fanno le proteine?

Le proteine partecipano a praticamente tutti i processi che avvengono nel tuo corpo: scompongono il cibo per dare energia ai tuoi muscoli, mandano segnali al tuo cervello per controllare il corpo, trasportano le sostanze nutrienti attraverso il flusso sanguigno. Molte proteine agiscono da enzimi, nel senso che catalizzano (facilitano e velocizzano) reazioni chimiche che altrimenti non avrebbero luogo. Altre proteine causano le contrazioni muscolari o agiscono da messaggeri alll'interno del corpo, o fanno altre centinaia di attività. Questa lista è solo un piccolo esempio di cosa fanno:

• L'Amilasi attacca gli amidi presenti nel cibo per trasformarli in qualcosa che il corpo può utilizzare.
• L'Alcol deidrogenasi trasforma l'alcol presente in birra/vino/liquori in una forma non tossica che il corpo possa usare come nutrimento.
• L'Emoglobina trasporta l'ossigeno nel sangue.
• La Fibrina forma una sorta di crosta protettiva in caso di tagli così da cicatrizzarli.
• Il Collagene da struttura e supporto alla nostra pelle, ai tendini e persino alle ossa.
• L'Actina è una delle proteine maggiormente presenti nei nostri muscoli.
• L'Ormone della crescita (o Somatropina) aiuta nella regolazione della crescita di un bambino ad un adulto.
• I canali del potassio inviano segnali tra le cellule nervose.
• L'Insulina regola la quantità di zucchero presente nel sangue ed è usata per trattare i malati di diabete.

Le proteine sono presenti in tutti gli esseri viventi, persino nelle piante, nei batteri e nei virus. Alcuni organismi possiedono delle proteine che gli danno delle speciali caratteristiche:

• Il Fotosistema è un complesso di proteine delle piante che da la capacità di catturare la luce per la fotosintesi.
• La Luciferasi è un enzima che catalizza la reazione chimica che fa illuminare le lucciole.
• L'Emaglutinina aiuta il virus dell'influenza ad invadere le nostre cellule.

Perché il gioco è importante?

Quali sono i principali scopi di questo gioco?

• La previsione della struttura delle proteine: come detto sopra, la conoscenza della struttura di una proteina è la chiave per capire come funziona e quindi anche come può essere attaccata dalle medicine. Una piccola proteina consiste di 100 amminoacidi, alcune proteine umane invece arrivano fino a 1000. Il numero di modi in cui una proteina può ripiegarsi è astronomico perché ci sono tantissimi gradi di libertà (possibilità di movimento delle molecole, spostamenti, rotazioni). Prevedere quale, tra le moltissime possibili strutture, sia la migliore per la proteina, è uno dei più pesanti problemi della biologia; i metodi attuali costano molto sia in termini di denaro che di tempo, persino per i computer. FoldIt tenta di prevedere la struttura di una proteina avvantaggiandosi dell'innata capacità dell'uomo di risolvere un rompicapo, un puzzle, inventando un gioco in cui la competizione è volta a trovare la migliore forma proteica.
• Progettazione delle proteine: dal momento che le proteine sono coinvolte in molte malattie, possono diventarne la cura. Al gioco verranno aggiunte nuove funzionalità che permetteranno agli utilizzatori di progettare nuove proteine che potrebbero curare importanti malattie.

Come il mio gioco contribuisce a curare le malattie?

Una proteina umana

Con tutte le cose che fanno le proteine per mantenere i nostri corpi funzionanti e in salute, possiamo certamente dire che vengono anche coinvolte nelle malattie in diversi modi. Più ne sappiamo di come alcune proteine si ripiegano, più saremo in grado di creare nuove proteine per combattere quelle legate alle malattie e sconfiggerle. Segue una lista di tre malattie che rappresentano i diversi modi in cui le proteine partecipano alla malattia.

• HIV / AIDS: il virus HIV è fatto per gran parte di proteine, e una volta che sia penetrato all'interno di una cellula crea altre proteine che lo aiutano a riprodursi. La HIV-1 proteasi e la Transcriptasi inversa sono due delle proteine prodotte dal virus HIV virus che lo aiutano in questo. La HIV-1 proteasi taglia la "poli-proteina" prodotta dal virus in replicazione nelle parti ad esso funzionali. La Transcriptasi inversa converte i geni dal RNA dell'HIV in una forma che l'ospite comprende, il DNA. Entrambe le proteine sono critiche per il virus perché gli permettono di replicarsi all'interno del corpo, ed entrambe vengono considerate un bersaglio delle cure mediche. Questo è un esempio di una malattia che produce delle proteine in modo innaturale, allo scopo di attaccare le cellule.
• Cancro: il cancro è molto diverso dal HIV in quanto la colpa è da dare alle nostre proteine e non a quelle provenienti da un invasore estraneo. Il cancro deriva dalla crescita incontrollata delle cellule in alcune parti del corpo. Normalmente esistono dei sistemi proteici che limitano la crescita delle cellule, ma questi possono essere stati danneggiati dai raggi UV del sole o dai composti chimici presenti nel fumo di sigaretta. Proteine come la Proteina tumorale p53 normalmente riconoscono il problema e bloccano la crescita della cellula prima che diventi cancerosa, a meno che non siano danneggiate loro stesse. Danni al gene della p53 si verifica in almeno la metà dei casi di cancro nell'uomo (insieme a danni di altro genere).
• Alzheimer: in un certo senso il morbo di Alzheimer è la malattia più direttamente causata dalle proteine. Una proteina chiamata Betamiloide è parte funzionale delle normali cellule nervose del cervello. Per fare il suo lavoro si divide in due, lasciando dietro di se un piccolo residuo, un peptide. Grandi quantità di questo peptide (un segmento corto di proteina) possono formare un residuo non indifferente. Sebbene molte cose riguardanti il morbo di Alzheimer non sono ancora state capite, si pensa che questi residui di proteine siano i principali attori della malattia.

A cosa altro ancora contribuisco con il mio gioco?

Esempio di proteina a cui un uomo darebbe subito una soluzione

Le proteine si trovano in tutti gli esseri viventi, piante incluse. Certi tipi di piante vengono convertite in bio-carburante ma il processo di conversione non è veloce ed efficiente come potrebbe. Una fase critica del processo è la demolizione di un costituente delle piante, un enzima (quindi una proteina) chiamato Cellulasi. Forse saremo in grado di trovare una proteina che faccia meglio il lavoro.

Potrà veramente l'uomo aiutare i computer a ripiegare le proteine?

Stiamo raccogliendo dati per vedere se le innate abilità umane di risoluzione dei rompicapi li fanno preferire per efficienza ai programmi per computer. Se fosse vero potremmo poi insegnare ai computer le strategie umane e ripiegare proteine ad una velocità mai vista prima!

Link esterni

• Articolo originale: The science behind FoldIt
• Pagina di FoldIt su wikipedia
• Articolo de la Repubblica.it su FoldIt