Il tool Blueprint
Questo articolo introduce un nuovo tool per Foldit: il pannello Blueprint visualizza la sequenza di aminoacidi e la struttura secondaria della vostra proteina. Per impostazione predefinita, ogni lettera della sequenza è colorata in base alle torsioni φ e ψ (angoli diedri) in quella posizione nella struttura, seguendo lo stesso schema di colorazione ABEGO utilizzato dalla mappa di Rama (Rama Map). Al di sopra della sequenza, uno schema di struttura secondaria riflette l'assegnazione di fogli e eliche ad ogni posizione. Il pulsante “Auto Struttura” rileverà i fogli e le eliche e creerà le appropriate assegnazioni della struttura secondaria.
Il pannello Blueprint è accompagnato dal pannello “Costruisci i blocchi” (BuildingBlocks). I blocchi di costruzione rappresentano schemi discreti della struttura centrale delle proteine, che possono essere applicati alla vostra struttura proteica. I blocchi di costruzione forniti qui corrispondono a congiunzioni specifiche che sono frequentemente osservate nelle proteine naturali (erano precedentemente note come "Congiunzioni Ideali" nella mappa di Rama). Tutti i blocchi di costruzione sono destinati a collegare direttamente elementi di una struttura secondaria, con un foglio o una elica da entrambi i lati: l’uso appropriato di un blocco di costruzione dipende da questo contesto secondario. Ad esempio, un blocco di costruzione elica-foglietto avrebbe una buona connessione tra una elica alla posizione 20 e un foglio nella posizione 23, ma non funzionerebbe bene se le posizioni tra spirale e foglio fossero invertite.
Basta cliccare e trascinare un blocco di costruzione nel pannello Blueprint per applicare il blocco di costruzione alla struttura: I blocchi di costruzione applicati rimarranno delineati nel pannello Blueprint. I blocchi costruttivi applicati continueranno a esercitare vincoli di torsione ovunque siano posizionati: questi vincoli si comportano come “elastici” per torsioni φ e ψ e cercheranno di mantenere i residui vicino alla forma originale del blocco di costruzione, ogni volta che si utilizza il tool “Wiggle”.
E’ sufficiente cliccare e trascinare un blocco di costruzione fuori dal pannello Blueprint per rimuovere il blocco di costruzione: questo rimuoverà anche i vincoli torsionali associati. E’ consigliabile lasciare i blocchi di costruzione e i vincoli torsionali mentre si continua a ripiegare la proteina. Il pannello “Costruzione blocco” contiene due blocchi di costruzione speciali accanto al menu contestuale: un blocco è tutta-elica ed un altro è tutto-foglietto. Questi speciali blocchi di costruzione possono essere collocati sul pannello Blueprint per formare residui in eliche ideali e fogli ideali (non esercitano vincoli torsionali e scompaiono immediatamente dopo l'applicazione).
Il pannello Blueprint sarà abilitato in puzzle di progettazione specifici: sarà accessibile dal menù “Azione” nell’interfaccia originale o dal menù principale nella Selezione Interfaccia.
Maggiori informazioni sul tool Blueprint
Questa sezione è stata aggiunta per rispondere ad una domanda di un giocatore:
È stato sottolineato che la rimozione dei vincoli dello strumento Blueprint verso la fine consente di migliorare notevolmente il punteggio. Stando così le cose, perché sembra “controintuitivo”? – gitwut
Prima di rispondere a questa domanda, vorremmo fare un piccolo approfondimento sul “dietro le quinte” dello strumento Blueprint.
Antefatto:
Ci sono due motivazioni dietro lo strumento Blueprint: il primo è, semplicemente, quello di rendere le "congiunzioni ideali" più accessibili ai giocatori. Il filtro “Congiunzioni Ideali” ha aiutato enormemente la progettazione di Foldit, e i recenti disegni top-score hanno tutti congiunzioni eccellenti. Tuttavia, sembrava che i giocatori avessero bisogno di fare molto lavoro per soddisfare quel filtro. Speriamo che lo strumento Blueprint abbia reso più facile (soprattutto per i principianti) soddisfare il filtro “Congiunzioni Ideali”.
La seconda motivazione per lo sviluppo dello strumento Blueprint è stato quello di fornire un processo di progettazione alternativo: alcuni di noi (amministratori) sospettano che cattive dorsali di Foldit siano il risultato di un ciclo aggressivo nelle strategie di gioco medio o tardo. Ad esempio, si supponga di progettare una proteina e si decida di formare congiunzioni alla fine: dal momento in cui crei le congiunzioni, puoi già “cementare” le tue eliche e i tuoi foglietti ed ottimizzare l’assemblaggio principale della tua proteina e, di conseguenza, la dorsale non avrà molta flessibilità per ricostruire le congiunzioni. I punti terminali di due fasce beta confinanti possono essere posizionati in modo tale che non ci sia una congiunzione stabile per collegarli: utilizzare in maniera “aggressiva”, il tool Rebuild/Remix, per forzare una unione tra punti terminali incompatibili è simile a martellare un piolo quadrato in un foro rotondo. Sarà impossibile chiudere la congiunzione senza compromettere la geometria della dorsale. Avevamo sperato che lo strumento Blueprint potesse essere utilizzato all'inizio del processo di progettazione (per costruire rapidamente una bozza "sana" di un disegno), la quale progettazione potrebbe essere gradualmente ottimizzata senza compromettere la geometria della dorsale.
I vincoli di torsione nel “Costruisci i blocchi”.
Per rispondere alla domanda di Gitwut, i blocchi costruttivi includono i vincoli di torsione: questi vincoli forzano un residuo in una certa regione della mappa di Ramachandran —come gli elastici (che rappresentano i vincoli di distanza) forza due residui ad essere ad una certa distanza l’uno dall’altro. Quando i vincoli sono presenti, lo “scuotimento” non produrrà punti in maniera rapida, ma la soluzione cercherà di seguire i vincoli. In linea di massima, i vincoli permettono di reindirizzare lo scuotimento verso il risultato desiderato sacrificando, di solito, i guadagni a breve termine per trovare, in ultima analisi, un modello migliore.
Posizionare una congiunzione “BuildingBlock” sul pannello Blueprint introduce vincoli di torsione nei residui della stessa (altrettanto, la rimozione del BuildingBlock rimuove i vincoli): i vincoli di torsione sono destinati a preservare la congiunzione mentre un giocatore sviluppa il resto del suo disegno. I vincoli sono necessari in questo caso perché la funzione di energia Foldit non necessariamente favorisce questo tipo di congiunzioni (non capiamo ancora appieno, infatti, perché le congiunzioni di BuildingBlock siano così prevalenti nelle proteine naturali). Queste possono essere favorite per ragioni che non sono esplicitamente modellate nella cinetica di ripiegamento di Foldit o siano dovute ad effetti entropici più complessi (al contrario, le eliche e i foglietti sono naturalmente stabilizzati dalle forze del legame di idrogeno, che sono catturate dalla funzione di energia Foldit). Senza i vincoli di torsione, “scuotimento” è incline a cancellare la congiunzione BuildingBlock a favore di guadagni energetici più piccoli. Abbiamo inteso che i giocatori potessero mantenere i vincoli per preservare le congiunzioni BuildingBlock fino a quando un progetto in corso non si fosse risolto in una maturazione piuttosto avanzata, eliminando poi i vincoli per il perfezionamento del finale gioco.
Per rendere le cose ancora più complicate, osserviamo che abbiamo regolato manualmente come vengono applicati i BuildingBlocks tramite il pannello Blueprint: quando si trascina un BuildingBlock sul pannello Blueprint e lo scheletro della proteina si mette “in posizione”, questa forma iniziale "aggiustata" è solo una approssimazione della forma ottimale della congiunzione. Quando questa si attiva, i vincoli di torsione trascinano la dorsale nella sua forma ottimale, che può essere leggermente diversa dalla forma iniziale regolata (questo è particolarmente evidente per i blocchi β-fermaglio). Ciò è dovuto al fatto che le congiunzioni BuildingBlock sono derivate da proteine naturali, che non dispongono mai di eliche e foglietti perfettamente ideali. Se si dovessero applicare le congiunzioni ottimali di BuildingBlock ai fasci beta ideali di Foldit, i filamenti beta ideali non sarebbero allineati per formare legami di idrogeno (figura A, sopra). Per rendere il tool più user-friendly, abbiamo aggiustato i BuildingBlock ottimali in modo che le congiunzioni-fermagli siano compatibili con i foglietti ideali di Foldit. Quindi, una forcella di BuildingBlock inizialmente blocca due filamenti perfetti in un allineamento perfetto (Figura B); il successivo Wiggling permetterà che i fili beta si flettano leggermente, in modo che il loop BuildingBlock possa rilassarsi nella sua forma ottimale (Figura C).
Tra parentesi, alcuni astuti giocatori di Foldit hanno notato che la collezione BuildingBlocks manca di una β-forcella BAAB, che è un loop stabile spesso trovato in natura: questo loop induce una deformazione significativa dei filamenti beta adiacenti. Per quanto noi progettisti di Foldit abbiamo provato, non siamo riusciti a regolare il BuildingBlock BAAB, in modo che fosse ragionevolmente compatibile con i foglietti beta ideali di Foldit, e quindi quel particolare loop è stato omesso dalla collezione BuildingBlocks.
C’è un “percorso” per il ripiegamento naturale? – Bruno Kestemont
Questa è una eccellente domanda, ma sfortunatamente non esiste una risposta semplice. Il percorso di piegatura, talvolta discusso come "cinetica del ripiegamento", descrive come una proteina denaturata (struttura lineare) transita nella sua piega nativa (struttura tridimensionale) nel corso del tempo. In generale, i percorsi di ripiegamento sono poco compresi, ma questa è un’area di intensa ricerca (infatti, il nostro David Baker ha cominciato a studiare la cinetica delle proteine negli anni 90!). La maggior parte di noi che lavora con Foldit o Rosetta non pensa molto ai percorsi di ripiegamento (come ha detto un collega, "A chi interessa?"): sosteniamo fortemente l'ipotesi che una catena di aminoacidi avrà naturalmente la sua struttura energetica più bassa (vedi il dogma di Anfinsen) e non ci preoccupiamo troppo del percorso necessario per arrivarci. In altre parole, siamo più interessati a come un sistema proteico si comporti in equilibrio; come il sistema raggiunga esattamente l’equilibrio è un’altra questione.
Teoricamente:
La maggior parte delle persone concorda sul fatto che le interazioni forti, locali (ad esempio i legami idrogeno a corto raggio che stabilizzano le alfa-eliche) si formeranno e che, invece, le interazioni deboli, non locali si formeranno più lentamente (esempio, l’abbinamento di filamenti beta tra residui distanti).
Sperimentalmente:
Molte piccole proteine sembrano piegarsi attraverso un meccanismo concertato, a due stati: si potrebbe immaginare che una proteina sia tradotta completamente dal ribosoma e che esista, per breve tempo, come una “bobina casuale” in soluzione prima di piegarsi tutta in una volta in una piega stabile. Noi osserviamo tali proteine in soli due stati: completamente dispiegate o completamente ripiegate. Questo è lo scenario più probabile per i tipi di piccole proteine (<150 residui) che si incontrano nei puzzle di Foldit.
Le proteine più grandi sembrano seguire vie più complesse, con percorsi multi-stato. In alcuni casi, possiamo osservare popolazioni multiple di proteine che esistono in vari, discreti stati di “pieghevolezza”. Molte di queste proteine si piegano anche in co-traslazione nella cellula, in modo che il N-terminale della proteina possa essere completamente piegato prima che il ribosoma finisca traducendo il C-terminale.