Abbiamo nuove visualizzazioni in Foldit e con questo articolo vogliamo darvi alcune informazioni su cosa sono e su come usarle. Le prime due hanno a che fare con la qualità degli angoli della dorsale:

Connessione non-ideale della dorsale – Questo messaggio di errore compare quando la connessione tra due residui della catena non è ideale.

Cliccando sul messaggio, si risolverà la dorsale settando le distanze e gli angoli ai loro valori ideali:



Il legame CIS peptico – I legami CIS peptidici esistono quando un normale legame peptidico viene “ribaltato” di 180 gradi, di modo che la dorsale, invece di muoversi (come di solito fa) a zig-zag, crea un movimento più nitido. Questo tipo di legame è abbastanza raro in natura, quindi è meglio spesso correggerli.

Cliccando sul messaggio si “aggiusterà” la dorsale convertendola da legame peptidico a legame peptidico trans (normale).

Questo può essere abilitato/disabilitato attraverso la finestra “Mostra problemi dorsale” nel tab Visualizzazione

Regolazione (Trim) densità degli elettroni
Questa opzione è presente nel pannello di densità degli elettroni. Regolare la densità degli elettroni permette di visualizzare soltanto la densità che è “vicina” alla dorsale corrente: per usarlo, cliccare sul bottone “Trim Density”.

Questo visualizza un menù che permette di scegliere una soglia di quanto vicino (o lontano) si desideri regolare la densità. Se si sta ancora cercando di decidere quali bit di densità utilizzare, un valore lontano potrebbe essere migliore. Se, invece, si è convinti di avere una proteina orientata bene, allora il valore più prossimo potrebbe essere il migliore: in quel caso, infatti, se si è sicuri di avere una proteina ben posizionata, si userà il valore più vicino.

Facendo click sul pulsante Accetta, sarà possibile regolare la densità al valore selezionato, lasciando la densità solo attorno alla proteina. E’ anche possibile fare click sul pulsante Annulla per lasciare la densità corrente.

Si noti che se si desidera tornare a visualizzare tutta la densità, è possibile impostare solo il valore di trim su “Lontano” e mostrerà tutto.

La Scienza in Foldit

Foldit è un videogioco rivoluzionario che TI permette di contribuire ad una importante ricerca scientifica. Questa pagine descrive la scienza che sta “dietro” a Foldit e come il tuo giocare può aiutarci.

Il puzzle della proteina ripiegata dello Streptococco

Cos’è il ripiegamento proteico?

Cos’è una proteina?

Le proteine sono i "cavalli da tiro" di ogni cellula degli esseri viventi. Il vostro corpo è composto da miliardi di cellule di tutti i tipi: cellule dei muscoli, del cervello, del sangue, e molte altre. All’interno di queste cellule, le proteine permettono al vostro corpo di fare quello che fa: convertire il cibo in energia per i vostri muscoli, inviare segnali al vostro cervello per controllare il corpo e trasportare i nutrienti attraverso il sangue. Le proteine sono di diverse centinaia di tipologie, ma tutte hanno molto in comune, per esempio sono tutte fatte del medesimo “materiale”: ogni proteina consiste in una lunga catena di amminoacidi uniti insieme.

Cosa sono gli amminoacidi?

Gli amminoacidi sono piccole molecole fatte di atomi di carbonio, ossigeno, nitrogeno, solfuro e idrogeno. Per creare una proteina, gli amminoacidi sono uniti insieme in una catena non interrotta, come una fila di persone che si danno la mano. Così come le persone di questa fila hanno le loro gambe e i loro piedi “al di fuori” di questa catena, ogni amminoacido ha un piccolo gruppo di atomi (chiamati “catena laterale”) attaccati alla catena principale (“spina dorsale/dorsale”) che li connette tutti insieme. Ci sono 20 differenti tipi di amminoacidi, che differiscono l’un l’altro per gli atomi che hanno nelle loro catene laterali; questi 20 sono suddivisi in gruppi in base alle loro proprietà chimiche: acidi (alcalini), idrofili (amano l’acqua) o idrofobi (grasso).

Quale forma assume una proteina ripiegando?

Anche se le proteine sono una lunga catena di amminoacidi, questi non amano rimanere uniti in linea retta. La proteina si ripiega per creare un “grumo” compatto, ma mentre lo fa, mantiene alcuni amminoacidi vicino al centro mentre altri all’esterno; e mantiene alcune coppie di amminoacidi uniti insieme e altre distanti. Ogni tipo di proteina ripiega in una forma assolutamente specifica-la stessa ogni volta. La maggior parte delle proteine fa tutto questo da solo, anche se alcuni hanno bisogno di un “aiuto extra” per ripiegare nella forma giusta. La forma unica di una particola proteina è lo stato più stabile che può adottare: immagina una palla nella sommità di una collina - la palla rotola sempre verso il basso; se si tenta di mettere la palla di nuovo in alto questa rotola fino al fondo della collina, perché è dove è più stabile.

Perchè la forma è importante?

La struttura specifica la funzione della proteina. Per esempio, una proteina che scompone il glucosio in modo che la cellula possa usare l’energia immagazzinata nello zucchero e vi si lega (come una serratura e una chiave) e gli amminoacidi reattivi reagiranno con il glucosio e lo scomporranno per rilasciare l’energia.

Che cosa fanno le proteine?

Le proteine sono coinvolte in praticamente tutti i processi che avvengono nel nostro corpo. Molte proteine agiscono come enzimi, il che significa catalizzare (accelerare) reazioni chimiche che altrimenti non avrebbero luogo. Ma altre proteine attivano le contrazioni muscolari o agiscono come messaggeri chimici nel corpo o altre centinaia di cose. Ecco un piccolo esempio di cosa fanno le proteine:
* Amilasi scompone in amidi i cibi, così che possano essere usati dal corpo.
* Deidrogenasi alcolica, trasforma l’alcool di birra/vino/liquori in forme non tossiche.
* Emoglobina trasporta l’ossigeno nel sangue.
* Fibrina fornisce una “crosta” per proteggere la pelle.
* Canali del potassio aiutano l’invio di segnali dal cervello al sistema nervoso.
* Insulina che regola la quantità di zuccheri nel sangue (usata per trattare il diabete).

Le proteine sono presenti in tutti gli esseri viventi, incluse piante, batteri e virus. Alcuni organismi hanno proteine che danno loro speciali caratteristiche:
* Fotosistema 1 è una collezione di proteine che permette alle piante di catturare la luce per la fotosintesi.
* Luciferasi gestisce la bioluminescenza delle lucciole.

Perché questo gioco è importante?

Che grandi problemi affronta questo gioco?
* La previsione della struttura proteica: Come descritto sopra, conoscere la struttura di una proteina è la chiava per capire come funziona e come poter interfacciarvi dei farmaci. Una piccola proteina consiste in circa 100 amminoacidi, mentre alcune proteine umane possono essere enormi (oltre 1000 amminoacidi). Il numero di diversi modi in cui anche una piccola proteina può ripiegare è astronomico, dal momento che esistono molti gradi di libertà. Rilevare quale tra le tante, tante possibili strutture sia la migliore è considerato uno dei problemi più difficili della biologia odierna e i metodi correnti richiedono molti soldi e molto tempo, anche per i computer. Foldit cerca di predire la struttura di una proteina avvantaggiandosi delle intuizioni umane nel risolvere puzzle, avendo persone che giocano (in maniera “competitiva”) per ripiegare le migliori proteine.
* Design/Progettazione proteica: Dal momento che le proteine sono causa di molte malattie, possono essere parte anche delle cure. I giocatori possono progettare nuove proteine che potrebbero aiutare a prevenire o a curare importanti patologie.

Miglior soluzione di punteggio per il "Mason pfizer monkey virus"

Come posso, giocando, aiutare la cura di malattie?
Con tutte le proteine impegnate a mantenere il nostro corpo funzionante e sano, alcune possono però evolvere in patologie in diverse maniere: più conosciamo come le proteine ripiegano, meglio potremo progettare proteine in grado di combattere le proteine legate alle malattie e curarle. Qui sotto una breve lista di tre malattie che rappresentano il modo in cui le proteine possono causare malattie.
* HIV / AIDS: Il virus dell’HIV è composto in gran parte di proteine e, una volta all’interno delle cellule del corpo, crea altre proteine per aiutare la sua riproduzione. La proteasi e la trascrittasi inversa due proteine create dall’HIV per infettare il corpo e replicare sé stesso. L’HIV proteasi taglia la “poliproteina” creata dal virus replicante nei pezzi funzionali che gli sono necessari. La trascrittasi inversa converte i geni dell’HIV dall’RNA in una forma che l’ospite “riconosce”, il DNA. Entrambe le proteine sono fondamentali per la replica del virus nel corpo ed entrambe sono bersagli per i farmaci anti-HIV. Questo è un esempio di malattia prodotta da proteine che non sono naturalmente presenti nel nostro corpo per aiutarla ad attaccare lo stesso corpo.
* Cancer: Il cancro è molto diverso dall’HIV in quanto, di solito, è causato dalle nostre proteine, invece che da proteine che vengono dall’esterno. Il cancro nasce dalla crescita incontrollata. Il cancro deriva da una crescita incontrollata di cellule in alcune parti del corpo, come i polmoni, il seno o la pelle. Solitamente ci sono sistemi di proteine che limitano la crescita cellulare, ma questi possono essere danneggiati da fattori come i raggi UV dal sole, o da elementi chimici come il fumo delle sigarette. Altre proteine, però, come la P53 soppressore dei tumori, riconoscono il danno e fermano le cellule dal diventare cancerogene-a meno che esso non sia troppo danneggiato: infatti i danni al gene P53 sono rilevati in circa la metà dei tumori dell’uomo (insieme con danni a vari altri geni)
* Alzheimer: In un certo senso l’Alzheimer è la malattia causata in maniera più diretta dalle proteine. Una proteina, chiamata “proteina precorritrice della beta-amiloide”, è parte del normale funzionamento delle cellule nervose nel cervello. Ma, per fare il suo lavoro, essa viene tagliata in due pezzi, lasciando indietro un piccolo pezzo dalla metà del peptide beta-amiloide. Alcune copie di questo peptide (un segmento proteico corto) possono unirsi insieme per formare gruppi di proteine nel cervello: nonostante molte cose riguardanti l’Alzheimer non siano ancora state comprese, si pensa che questi “gruppi” di proteine siano la maggior parte della malattia.

A cos’altro sto contribuendo giocando?
Le proteine si trovano in tutte le cose vive, comprese le piante: alcune piante vengono coltivate e convertite in biocarburanti, ma il processo di conversione non è così veloce ed efficiente come potrebbe essere. Un passo fondamentale per trasformare le piante in combustibile consiste nel “rompere” il materiale vegetale e questo viene, attualmente, fatto da enzimi microbici (proteine) chiamate "cellulasi". Forse possiamo trovare nuove proteine per farlo meglio.

Possono gli uomini realmente aiutare i computers a ripiegare le proteine?
Stiamo continuamente raccogliendo dati per capire se le abilità di riconoscimento dei modelli e le abilità di risoluzione dei problemi degli esseri umani li rendano più efficienti dei programmi di computer esistenti nelle operazioni di ripiegatura proteica. Se fosse vero, potremmo insegnare le strategie umane ai computers e quindi potremmo piegare le proteine più velocemente che mai.

Ho il piacere di introdurre un nuovo tool che sta arrivando su Foldit: lo strumento “Idealizza”.

Che cosa fa questo strumento? Nelle proteine ci sono alcuni gradi di libertà che possono cambiare (come l’angolo della catena laterale che esce dalla dorsale) e altri che non dovrebbero (come la distanza tra due residui). Qui si possono vedere alcuni esempi di gradi di libertà che non dovrebbero cambiare:

Si può vedere che in questa immagine sono riportati valori molto specifici che descrivono determinati angoli e distanze tra gli atomi. Questi valori sono chiamati valori “ideali” e nelle proteine reali i loro valori non cambiano di molto.
In Foldit, talvolta, questi valori tendono a “scappare” dai loro valori ideali, e come risultato si vedrà un punteggio basso di dorsale su un frammento o due. Questi problemi sono veramente difficili da risolvere. Il modo più facile in cui si introduce il problema è con i tagli – se viene fatto un taglio e viene chiuso con un angolo strano, spesso sarà difficile risolvere il problema.
A questo punto abbiamo creato lo strumento “Idealizza”: questo tool permette semplicemente di impostare tutti questi gradi di libertà ai loro valori ideali per la porzione di dorsale interessata. Lo strumento lavora nell’interfaccia “modalità classica” attraverso il menù con il tasto destro e si aprirà nell’interfaccia di selezione quando saranno selezionati alcuni residui. E’ anche accessibile dall’interfaccia di script con il comando IdealizeSelected().
Ecco un esempio di dove questo strumento può essere usato, osservando la dorsale qui sotto:

Si potrebbe o no essere in grado di dirlo, ma ci sono problemi con questa dorsale: si può vedere qui sotto come *dovrebbe* essere la dorsale:

Si può notare che la porzione blu dovrebbe avere un bell’angolo di circa 120 gradi: nella dorsale di sopra, invece, è vicino ai 180 gradi. Questo comporterà un punteggio veramente basso della dorsale in Foldit ed è qualcosa che vorremmo risolvere. Con lo strumento “idealizza” si può fare! Nell’interfaccia classica, facciamo clic con il tasto destro sulla dorsale dove esiste il problema e selezioniamo “Idealizza”.

Questo porterà i gradi di libertà problematici ai loro valori ideali e renderà la spina dorsale come la seconda immagine, ovvero corretta. Si tenga presente che, mentre questo strumento modifica solo i valori nella regione in cui si sta lavorando, le modifiche causano il movimento di un intero lato della proteina in una nuova posizione.

Test in vitro.

Se vi ricordate, il nostro ultimo aggiornamento illustrava come alcune delle proteine progettate dai giocatori risultassero ripiegate e stabili nella soluzione. D’altro canto, noi apprezziamo l’avere le strutture cristalline di queste proteine per dimostrare che si sono effettivamente ripiegate nelle loro posizioni previste. Il primo passo per avere una struttura cristallina è avere un cristallo di una proteina: qui vogliamo dare uno sguardo più adeguato al processo di cristallizzazione delle proteine.

Qui sopra si può vedere un vassoio di cristallizzazione a 96 pozzetti. Noi utilizziamo un robot per preparare gli esperimenti di cristallizzazione con 96 diverse condizioni per vassoio. Per ogni proteina noi prepariamo 4 vassoi per un totale di 384 condizioni diverse.

Ogni “vassoio” da 96, viene diviso in quattro distinte regioni. In alto a destra, un pozzetto quadrato contiene il liquido madre: il “liquido madre” è tipicamente un tampone acquoso con alcuni sali e un’alta concentrazione di precipitanti. Il pozzetto è circondato da tre pozzetti circolari, ognuno dei quali contiene una goccia del campione proteico mescolato con il liquido madre. In questo vassoio i tre pozzetti vengono usati per testare diversi rapporti di concentrazione, con la proteina e il liquido madre combinati in rapporti di 1:1, 2:1 o 1:2.
Ognuno dei 96 pozzetti è sigillato sia dall’aria che dai pozzetti vicini anche se, all’interno di un pozzetto, le tre gocce condividono un’atmosfera (pura) con il serbatoio, in modo che le gocce possano equilibrarsi per diffusione del vapore. Nel tempo l’acqua evapora dalle gocce e si condensa nel serbatoio: mentre diminuisce il volume della goccia, aumenta in maniera graduale la concentrazione proteica nella goccia. Alla fine, la concentrazione proteica raggiunge un “punto critico” e la proteina cristallizza.

Nell’immagine qui sopra, è possibile vedere diversi cristalli che irradiano verso l’esterno da un’unica origine (molto probabilmente una piccola particella di polvere al centro è servita da “seme” per la crescita di tutti i cristalli.
I cristalli non sono naturalmente colorati, ma mostrano bi-rifrangenza, ovvero riflettono le onde luminose in maniera diversa, a seconda dell’orientamento della sorgente luminosa rispetto al reticolo cristallino: quando vengono visualizzati attraverso un microscopio dotato di filtro polarizzante, i cristalli bidirezionali appaiono colorati.
Questi cristalli sembrano sottili e  “piatti”, suggerendo che questo particolare reticolo cristallino si sviluppi facilmente in altezza e larghezza, ma meno facilmente in profondità: a volte questo è indicativo di imperfezioni del “confezionamento” della proteina in cristallo e può limitare la qualità della diffrazione a raggi X. Successivamente cerchiamo di ottimizzare le condizioni di cristallizzazione creando una serie di gocce simili con piccole differenze nella composizione, nella speranza di ottenere cristalli più grandi e più “sostanziosi”. C’è, infatti, la possibilità che uno di questi cristalli diffranga abbastanza bene da produrre una struttura cristallina.
Una volta ottenuto un cristallo di alta qualità, che produca un buon modello di rifrazione a raggi X, è possibile “fissare” la soluzione della struttura cristallina. Una struttura cristallina soluta ci dirà in maniera definitiva se la proteina si è ripiegata come progettato!