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Videogioco per ripiegare molecole di RNA e contribuire alla ricerca

Il crowdsourcing va di gran moda ultimamente nel mondo della ricerca: si usa Kickstarter per racimolare fondi, screen savers che macinano numeri, e giochi per estrarre informazioni da grandi database. La maggior parte di questi sforzi tuttavia rimangono confinati nel laboratorio virtuale di Internet. Ora i ricercatori però hanno messo in crowdsource i loro esperimenti collegando giocatori di videgiochi a un vero laboratorio di biochimica. Un gioco chiamato EteRNA permette ai videogamers di effettuare da casa reali esperimenti e verificare le loro previsioni su come si ripiegano alcune molecole di RNA. Il primo grande risultato viene rivelato in uno studio pubblicato su “Proceedings of the National Academy of Sciences” che porta i nomi di più di 37mila autori, di cui, però, solo 10 sono scienziati professionisti. “E’ una cosa incredibile” esclama Erik Winfree, biofisico al California Institute of Technology a Pasadena [1].

Screenshoot del videogioco EteRNA

Screenshoot del videogioco EteRNA. Da notare l’interazione del giocatore nel poter variare le basi azotate (Adenina, Uracile. Guanina, Citosina) potendo sconvolgere e cambiare l’RNA.

Alcuni vedono EteRNA come un segno del futuro della scienza, che non solo coinvolge cittadini-scienziati ma dà anche loro l’accesso remoto a un vero laboratorio. La “cloud-biochimica” [NdR: la biochimica della nuvola] come qualcuno la chiama, è già qui, afferma Winfree. Sequenziamento del DNA, test dell’espressione genica : molte analisi biochimiche sono state appaltate ad aziende in remoto. Tutti gli esperimenti wet lab che possono venire automatizzati lo saranno presto, afferma. “Così gli scienziati potranno focalizzarsi sulla parte meno noiosa del proprio lavoro.”

E’ stato un video-game online chiamato Foldit a ispirare la nascita di EteRNA. Creato nel 2008 da un team con a capo David Baker e Zoran Popović, rispettivamente un biologo molecolare e un informatico, entrambi della University of Washington, Seattle, questo gioco si focalizzò sul predire la forma nella quale si sarebbe ripiegata una stringa di amminoacidi, visto che i giocatori, per adesso, superano anche i computer più veloci nel riuscire a predire con accuratezza la struttura di certe proteine. Sono stati proprio due membri del team di Foldit, Adrien Treuille e Rhiju Das, a concepire EteRNA nel 2009. “L’idea era quella di creare una versione di Foldit, concepita per l’RNA,” dice Treuille, che adesso si trova alla Carnegie Mellon University a Pittsburg, in Pennsylvania. Il suo studente, dottorando, Jeehyung Lee ha sviluppato il software necessario, ma Das li ha persuasi a fare un ulteriore grande passo in avanti: collegare i giocatori direttamente dal mondo reale ad un vero laboratorio di bio-chimica controllato roboticamente. Dopo tutto è molto più veloce ed economico determinare la struttura di ripiegamento e sintetizzare una molecola di RNA rispetto a una proteina.

Lee quindi tornò alla fase di progettazione, ricostruendo il gioco in modo da fargli avere non solo l’interfaccia per la progettazione molecolare come Foldit, ma anche una interfaccia di laboratorio per progettare sequenze di RNA per la sintesi, tenere traccia delle ipotesi per le regole di ripiegamento dell’RNA e analizzare i dati per revisionare queste ipotesi.

Nel 2010 Lee aveva a disposizione un prototipo del gioco già pronto per il test e Das aveva il laboratorio per l’RNA pronto ad iniziare alla Standford University a Palo Alto in California, dove ora è professore. Quello che mancava ora erano i giocatori.

Un messaggio spedito alla community di Foldit attirò qualche centinaio di partecipanti, e già all’inizio del 2011 il New York Times scrisse dell’ EteRNA e decine di migliaia di giocatori iniziarono ad affluire.

Il gioco si accompagna a una guida dettagliata e una serie di puzzle che hanno a che fare con strutture di RNA già note. Solo dopo aver raggiunto 10,000 punti viene sbloccato l’accesso al team di ricerca di EteRNA, quindi l’obiettivo diventa quello di progettare sequenze di RNA in grado di poter essere ripiegate in alcune strutture mirate. Ogni settimana vengono scelte, tramite votazione, otto sequenze che quindi vengono mandate alla Stanford per la sintesi e la determinazione della struttura. I dati che ritornano danno un’idea di quanto le vere strutture create dalle sequenze si siano poi abbinate ai loro target. In questo modo, dice Treuille, è la realtà che tiene il punteggio. I giocatori usano quel feedback per modificare una serie di ipotesi: regole di progettazioni per determinare come si ripiegherà una sequenza di RNA.

Due anni e centinaia di strutture di RNA più tardi, i giocatori hanno dato prova di poter essere un grande team di ricerca. Su 37,000 giocatori partecipanti, circa 1,000 si sono qualificati per partecipare al LAB per lo studio pubblicato oggi. EteRNA ha ora 133,000 giocatori di cui 4000 che fanno ricerca e hanno generato 40 nuove regole per il ripiegamento del RNA. Ai nodi tra diverse parti della molecola, per esempio, come quelli tra un loop e un braccio, i giocatori hanno scoperto che è molto più stabile se arricchito con guanina e citosina, in grado di creare i legami più forti all’interno del RNA. Per vedere come queste regole descrvissero la realtà, i giocatori hanno poi partecipato a una competizione contro il computer in una nuova serie di sfide sulla struttura del RNA. I ricercatori hanno distillato le 40 regole create dai giocatori in un algoritmo chiamato EteRNA Bot.

I giocatori umani hanno ancora primeggiato, risolvendo le strutture in maniera più accurata rispetto al software standard il 99% delle volte.

Anche la versione algoritmica ha battuto in termini di performance il software comunemente utilizzato per queste operazioni ma solamente il 95% delle volte, dimostrando che la conoscenza del team croud-sourced umano non è stata ancora catturata in modo completo.

Lee afferma che il prossimo passo sarà quello di rendere il WET LAB completamente robotico, perché c’è ancora bisogno di esseri umani per eseguire alcuni passaggi tra l’input della sequenza RNA del giocatore e l’output dei dati.

EteRNA non funziona con qualsiasi tipo di scienza, spiega Shawn Douglas, ingegnere biomolecolare alla University of California a San Francisco, questo perché il problema deve essere adatto alla trasformazione in gioco. Si è mostrato però ottimista sul fatto che ne arriveranno molti altri. “Molte aree della ricerca biologica hanno raggiunto un tale livello di complessità da far diventare le facoltà mentali del singolo ricercatore il collo di bottiglia” spiega Douglas.

EteRNA prova che “ci sono decine di migliaia di persone in tutto il mondo che dispongono di energie mentali extra desiderose d partecipare alla risoluzione di problemi scientifci.”

Il trucco è quello di progettare un buon gioco.

Daniel Iversen
17 febbraio 2014

[1]http://news.sciencemag.org/biology/2014/01/online-video-game-plugs-players-real-biochemistry-lab


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