Foldit, wissenschaftlicher Hintergrund

Foldit (Homepage) ist ein spannendes Online-Computerspiel, in welchem du dreidimensionale Modelle von Proteinen falten und dabei der Wissenschaft enorm helfen kannst. Diese Seite soll euch erklären, wie das geht.

Was ist Proteinfaltung?[]

Was ist ein Protein? Proteine sind die Arbeitspferde in jeder Zelle in jedem Lebewesen. Ein menschlicher Körper besteht aus Milliarden von Zellen der unterschiedlichsten Arten: Muskelzellen, Gehirnzellen, Blutzellen und so weiter. Innerhalb dieser Zellen verrichten Proteine ihre Arbeit, damit der Körper tun kann, was er eben tut. Nahrung aufspalten um z. B. die Muskeln mit Energie zu versorgen, Signale durch das Gehirn senden, um den Körper einfach kontrollieren zu können, und auch Nährstoffe durch das Blut transportieren.Proteine gibt es in Tausenden von Varianten, aber sie alle haben einiges gemeinsam, z. B. sind sie alle aus denselben Bausteinen zusammengesetzt: Jedes Protein besteht aus langen Ketten von Aminosäuren.

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Was sind Aminosäuren? Aminosäuren sind kleine Moleküle aus Atomen von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Wasserstoff. Man spricht (vereinfacht gesagt) von einem Protein, wenn Aminosäuren (durch sog. Peptidbindungen) in langen Ketten zusammenhängen, ähnlich wie eine Reihe von Leuten, die sich an den Händen halten. Und so wie bei dieser Reihe von Leuten die Füße aus der Kette "heraushängen", hat auch jede Aminosäure eine kleine Gruppe von Atomen (auch Seitenarm, oder engl. Sidechain genannt), die von der Kette (auch Rückgrat, oder engl. Backbone genannt), die alles zusammenhält, abstehen.Es gibt 20 verschiedene Arten von Aminosäuren, die sich dadurch unterscheiden, welche Atome sich in ihren Seitenarmen befinden. Diese 20 Aminosäuren fallen in unterschiedliche Kategorien, je nach ihren chemischen Eigenschaften: sauer oder alkalisch, hydrophil (wasserliebend) oder hydrophobisch (wasserabweisend).

_{Puzzle 48 entfaltet (und unstabil) grössere Version anzeigen}	In welche Form wird sich ein Protein falten? Trotz der Tatsache, dass Proteine "nur" eine lange Kette von Aminosäuren sind, streben sie eine Veränderung dieser ausgestreckten Form an. Die Proteine falten sich, um eine möglichst kompakte Form zu erreichen, aber während dieser Faltung geraten einige Aminosäuren näher an den Kern dieser Form, während andere nach außen gedrängt werden. Einige Aminosäurenpaare bleiben nahe zusammen, andere geraten weit auseinander. Jedes Protein faltet sich in seine spezifische Form, die immer gleich ist. Während die meisten Proteine dies selbständig erreichen, benötigen andere etwas "Hilfe", um diese Form zu erreichen. Die einzigartige Form eines bestimmten Proteins ist der stabilste Zustand, den es erreichen kann.Stellen Sie sich einen Ball in einem Trichter vor - der Ball wird immer zum Boden des Trichters rollen, da er dort am stabilsten liegt.
Warum ist die Form wichtig? Diese Struktur spezifiziert die Funktion eines Proteins. Zum Beispiel ein Protein, das Glucose aufspalten kann, um Zellen die Aufnahme der Energie aus dem Zucker zu ermöglichen; es hat eine Form, die Glucose erkennen und sich daran binden kann (ähnlich einem Schlüssel und dem Schlüsselloch). Chemisch aktive Aminosäuren reagieren mit dem Zucker und spalten ihn auf, um seine Energie freizusetzen.
Was tun Proteine? Proteine sind in nahezu alle Prozesse innerhalb unseres Körpers involviert: Sie spalten Nahrung auf, um die Muskeln mit Energie zu versorgen, sie senden Signale durch das Gehirn und transportieren Nährstoffe durch das Blut. Viele Proteine agieren als Enzyme, d. h. sie katalysieren (beschleunigen) chemische Reaktionen, die ansonsten nicht ablaufen könnten. Andere wiederum unterstützen Muskelkontraktionen, arbeiten als Botenstoffe oder erledigen hunderte von anderen Aufgaben im Körper. Hier ist ein kleiner Auszug aus den vielfältigen Aufgaben von Proteinen: Amylase startet die Verarbeitung von Stärke in andere vom Körper nutzbare Formen. Alkoholdehydrogenase katalysiert Alkohol aus z. B. Bier/Wein/Schnaps in eine ungiftige Form, die der Körper als Nahrung verwenden kann. Hämoglobin befördert den Sauerstoff im Blut. Fibrin bildet den Schorf über einer Wunde, während diese heilt. Collagen gibt der Haut, den Sehnen und sogar Knochen ihre Struktur und ihr Aussehen. Actin ist eines der wichtigsten Proteine in unseren Muskeln. Wachstumshormone helfen das Wachstum von Kindern zu regulieren. Kaliumkanäle helfen, Signale durch das Gehirn und andere Nervenzellen zu senden. Insulin reguliert den Zuckeranteil im Blut und wird benutzt, um Diabetes zu behandeln.
Proteine findet man in allen Lebewesen, sogar in Pflanzen, Bakterien oder auch Viren. Einige Organismen haben Proteine, die ihnen spezielle Fähigkeiten verleihen: Photosystem I ist eine Ansammlung von Proteinen in Pflanzen, die das Sonnenlicht für die Photosynthese auffangen. Luciferase dient als Katalysator der chemischen Reaktion, die Glühwürmchen leuchten lässt. Hämagglutinin hilft dem Grippevirus, in den Körper einzudringen.

Warum ist dieses Spiel wichtig?[]

Mit welchen Problemen befasst sich dieses Spiel?

Protein-Struktur-Vorhersage: Wie bereits beschrieben, ist es sehr wichtig die Strukturen von Proteinen zu kennen und zu verstehen, wenn man mit ihnen arbeiten und sie zu Medikamenten weiterverarbeiten will. Ein kleines Protein kann bereits aus 100 Aminosäuren bestehen, einige menschliche Proteine bestehen aus tausenden von Aminosäuren. Die Anzahl von Möglichkeiten, in die sich bereits ein kleines Protein falten kann sind astronomisch, weil es eben so viele unterschiedliche Faltungsmöglichkeiten gibt. Herauszufinden, welche der vielen, vielen möglichen Strukturen als die beste betrachtet werden kann, ist eines der grössten Probleme der Biologie und die heutigen Methoden sind - obwohl bereits computergestützt - sehr zeit- und kostenintensiv. Foldit versucht, die Struktur von Proteinen vorherzusagen, indem es den Vorteil der menschlichen Intuition und den Wettbewerbsgedanken nutzt, der die Spieler antreibt, immer bessere Lösungen zu finden.
(Bald!) Protein-Design: Da Proteine an so vielen Krankheiten beteiligt sind, können sie auch Teil der Heilmethode sein. Während des kommenden Sommers (ist mittlerweile implementiert, Anmerk. d. Übers.) werden wir eine neue Funktionalität zum Spiel hinzufügen, die es den Spielern erlaubt, komplett neue Proteine zu designen, die eventuell helfen können, wichtige Krankheiten zu bekämpfen.

Wie kann ich durch Foldit helfen, Heilungsmethoden zu finden? Durch all die Dinge, die Proteine in unserem Körper tun, um ihn gesund und funktionierend zu erhalten, können sie auch in die Heilung unterschiedlichster Krankheiten einbezogen werden. Je mehr wir darüber wissen, wie sich ein bestimmtes Protein faltet, desto besser können wir an entsprechenden Designs für Heilungsmethoden arbeiten. Nachfolgend sind 3 Krankheiten aufgelistet, die unterschiedliche Wege darstellen, wie Proteine in Krankheiten verwickelt sein können.

_{Ein menschliches Protein grössere Version anzeigen}

HIV / AIDS: Das HIV Virus besteht hauptsächlich aus Proteinen, und einmal im Körper erzeugt es neue Proteine, die ihm helfen, sich zu reproduzieren. HIV-1 Protease und Reverse Transkriptase sind zwei Proteine, die vom HIV Virus erzeugt werden, um diesem zu helfen den Körper zu infizieren und sich selbst zu vervielfältigen. HIV-1 Protease zerlegt das "Polyprotein", das aus dem sich vervielfältigenden Virus entstanden ist, in die funktionellen Teile, die es benötigt. Reverse Transkriptase katalysiert die Gene des HIV aus der RNA in eine Form, die der Körper besser versteht, die DNA. Beide Proteine sind nötig für das Virus um sich im Körper replizieren zu können, und beide sind das Ziel von Anti-HIV Medikamenten. Dies ist ein Beispiel, wo eine Krankheit Proteine, die nicht natürlich im Körper vorkommen, produziert, um ihr beim Befallen desselben zu helfen.

Krebs: Krebs ist etwas völlig anderes als HIV, hier sind es körpereigene Proteine, die die Krankheit hervorrufen. Krebs entsteht aus dem unkontrollierten Wachstum einiger Zellen in unserem Körper, wie z.B. in Lunge, Brust, oder Haut. Normalerweise gibt es ein System von Proteinen, die Zellwachstum begrenzen, aber diese Systeme können von Dingen wie z.B. UV-Strahlen oder den Chemikalien aus Zigarettenrauch beeinflusst werden. Andere Proteine, wie z.B. p53 Tumor-Suppressor-Gen, erkennen normalerweise den Schaden und verhindern die weitere Wucherung der Zelle - außer sie sind selbst beschädigt. Tatsächlich kommt eine Schädigung der Gene von P53 in fast der Hälfte aller menschlichen Krebsarten vor, in Verbindung mit der Schädigung diverser anderer Gene.

Alzheimer: In mancher Hinsicht ist Alzheimer die Krankheit, die am häufigsten durch Proteine verursacht wird. Ein Protein das sich Amyloid-beta Precursor Protein nennt, ist normalerweise Teil einer gesunden, funktionierenden Gehirnzelle. Aber um seine Arbeit erledigen zu können, wird es in zwei Teile aufgespalten, wobei ein kleiner Rest aus der Mitte übrig bleibt - Amyloid-beta Peptid. Viele Kopien dieses Peptids (kurzes Proteinsegment) können sich im Gehirn zusammenklumpen. Obwohl die Alzheimer Krankheit immer noch nicht in allen Einzelheiten untersucht und verstanden ist, nimmt man im Allgemeinen an, dass diese Proteinklumpen einen großen Anteil an einer Erkrankung haben.

_{Dies ist ein Beispiel, bei der der Mensch die offensichtliche
Lösung kennt - verstecke die Seite, die heraussteht! grössere Version anzeigen}

Zu welchen anderen Dingen kann ich beitragen, wenn ich Foldit spiele? Proteine sind in allen lebenden Dingen enthalten, so auch in Pflanzen. Bestimmte Sorten von Pflanzen werden gezüchtet und in Biokraftstoff umgewandelt, wobei der Umwandlungsprozess aber nicht so schnell und effizient vonstatten geht, wie er es könnte. Ein wichtiger Schritt bei der Umwandlung von Pflanzen in Kraftstoff ist das Aufspalten des Pflanzenmaterials, das derzeit von mikrobiellen Enzymen (Proteinen) erledigt wird, der sog. "Cellulase". Vielleicht finden wir Proteine, die das besser können.

Können Menschen wirklich Computern helfen, Proteine zu falten? Wir sammeln Daten, um herauszufinden, ob die menschliche Mustererkennung und deren Puzzle-Lösungs-Fähigkeiten effizienter sein können, als existierende Computer-Programme es bei Musterfaltungen sind. Wenn sich herausstellt, dass dies wirklich so ist, können wir versuchen, Computern diese Strategien beizubringen, um sie noch schneller Proteine falten zu lassen als bisher!

Hinweis: Der Original-Artikel beinhaltet weitere Informationen und Links zu Rosetta@home. Die Verwendung des Original-Textes und der Bilder wurde hier beantragt und genehmigt.

Foldit, wissenschaftlicher Hintergrund

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Was ist Proteinfaltung?[]

Warum ist dieses Spiel wichtig?[]

Informative Links rund um das Spiel[]

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