I concetti scientifici che stanno alla base di Folding@home
Che cosa sono le proteine?
Le proteine sono "collane" di amminoacidi -- lunghe catene di molecole. Esse sono protagoniste in gran parte dei processi biologici: gli enzimi sono "elementi chiave" di tutte le reazioni chimiche nei viventi, le proteine strutturali sono i costituenti principali di ossa, muscoli, capelli, pelle e vasi sanguigni e gli anticorpi riconoscono gli elementi estranei e consentono al sistema immunitario di sbarazzarsi degli eventuali invasori. Vista l'importanza delle proteine, è facile capire perché gli scienziati abbiano sequenziato il genoma umano -- il progetto per tutte le proteine. Come possiamo comprendere le funzioni delle proteine e le modalità con cui esse si esplicano?
Perché le proteine si avvolgono?
Il fatto di conoscere la sequenza amminoacidica di una proteina ci dice ben poco sulle sue funzioni e sulle modalità con cui esse si esplicano. Per svolgere le loro funzioni (si consideri il ruolo degli enzimi, degli anticorpi, ecc.), le proteine devono assumere una particolare conformazione tridimensionale (processo di folding). Questo "autoassemblaggio" è chiamato folding (dall'inglese "to fold", piegare). Uno degli obiettivi di Folding@home è quello di simulare il protein folding per capire come le proteine si avvolgono così velocemente e in maniera affidabile e per scoprire che cosa accade a livello molecolare quando il processo di folding non va a buon fine (misfolding).
Protein folding e malattie: BSE (Mucca Pazza), morbo di Alzheimer, corea di Huntington, ...
Cosa accade se le proteine non si avvolgono nella maniera corretta? Attualmente si pensa che malattie come il morbo di Alzheimer, la fibrosi cistica, la BSE (il morbo della mucca pazza), una forma ereditaria di enfisema e anche molti tipi di cancro siano il risultato di un processo di folding non corretto (misfolding). Quando le proteine non si avvolgono nel modo corretto, esse possono raggrupparsi insieme (aggregarsi). Questi aggregati spesso si accumulano nel cervello, dove si suppone siano la causa dei sintomi del morbo della mucca pazza o del morbo di Alzheimer.
Perché il protein folding è così difficile da comprendere?
Le proteine non solo si autoassemblano (si avvolgono), ma lo fanno ad una velocità incredibile: alcune in meno di un milionesimo di secondo. Mentre questo lasso di tempo è molto breve per una persona, risulta invece tremendamente lungo da simulare per il computer. Infatti, ci vuole circa un giorno per simulare un nanosecondo (1/1.000.000.000 di un secondo). Sfortunatamente, le proteine si avvolgono nell'ordine dei 10 microsecondi (10.000 nanosecondi). Quindi ci vorrebbero 10.000 giorni per simulare il folding completo (quasi 30 anni.) Questo è un tempo troppo lungo per attendere un risultato.
La nostra soluzione: sfruttare nuovi algoritmi di calcolo distribuito per simulare ciò che in passato non sarebbe stato possibile simulare.
Il nostro gruppo di ricerca ha sviluppato nuove strade per simulare il protein folding che possono superare queste problematiche suddividendo il lavoro tra più processori -- con un incremento della velocità quasi linerare in base al numero dei processori. Con la potenza di Folding@Home (oltre 100.000 processori) possiamo superare la barriera del millisecondo simulando vari millisecondi del processo di folding e tentare di svelare il mistero di come le proteine si avvolgono.
Cosa è stato fatto finora e cosa stiamo facendo?
Folding@Home è stato un successo. Siamo riusciti a simulare il folding di alcune piccole proteine (con tempi di folding brevi), con la validazione sperimentale del nostro metodo. Ora stiamo lavorando per svilupparlo ulteriormente e applicarlo a proteine più complesse ed interessanti e a nuovi problemi di protein folding e misfolding. Da allora (2002-2006), Folding@Home ha studiato proteine più complesse, trovando il folding di varie proteine nella scala dei milisecondi, tra cui la BBA5, il villin headpiece e la Trp-Cage.
Più recentemente (2006-ora) stiamo stiamo indirizzando i nostri sforzi sullo studio di proteine che rivestono un ruolo importante in malattie quali il morbo di Alzheimer e il morbo di Huntington. Puoi saperne di più dando un'occhiata ai nostri risultati ; oppure, per sapere qualcosa di più specifico sui nostri traguardi scientifici, leggendo i nostri articoli.
Come posso saperne di più su come funziona Folding@Home e su cosa è stato fatto finora?
Per saperne di più su alcuni del nostri successi o su come funziona Folding@Home, dai un'occhiata ad alcuni dei nostri articoli recenti o alle ultime rassegne stampa. Controlla anche le nostre FAQ e la nostra pagina dedicata alle malattie e ai problemi biomedici che stiamo studiando.
Potreste dirmi dove posso trovare ulteriori informazioni sulla matematica che sta alla base di Folding@home, cioè sui i tipi di calcoli che vengono eseguiti?
Le voci di wikipedia riguardanti questi argomenti sono ben scritte, quindi sono probabilmente un ottimo riferimento per iniziare. Ti suggeriamo le seguenti voci: Molecular Mechanics, Molecular Dynamics, Force Fields e Implicit Solvation.
Ultimo aggiornamento: November 11, 2009, at 05:59 PM