Rosetta@home - Informazioni generali

(scopo del progetto: ultimo paragrafo)

Le proteine sono i “cavalli da tiro” in ogni cellula di ogni essere vivente. Il vostro corpo è composto da miliardi di cellule di tutti i tipi: muscoli, cervello, sangue e altro. All’interno di queste cellule, le proteine consentono al vostro corpo di funzionare: scomporre il cibo per dare forza ai muscoli, mandare segnali al cervello per controllare il corpo e trasportare i nutrienti attraverso il sangue.

Le proteine sono migliaia, di diverse tipologie, ma hanno molto in comune tra di loro. Per esempio, sono fatte della stessa base: ogni proteina consiste in una lunga catena di amminoacidi legati. Gli amminoacidi sono piccole molecole composte di atomi di carbonio, ossigeno, azoto, zolfo ed idrogeno. Per generare una proteina gli amminoacidi sono uniti in una catena allungata, come una fila di persone che si stringono le mani. Come la fila di persone ha le gambe e i piedi al di fuori della fila, ogni amminoacido ha un piccolo gruppo di atomi (la cosidetta "catena laterale" ) che esce dalla fila che li connette l’un l’altro (la catena principale). Ogni amminoacido contribuisce con le braccia alla catena principale, ma a differenza della fila di persone, le catene laterali (le gambe) degli aminoacidi sono abbastanza diverse le une dalle altre. In effetti ci sono 20 differenti tipi di amminoacidi, che differiscono l’uno dall’ altro in base agli atomi presenti nelle loro catene laterali. I 20 aminoacidi hanno nomi come alanina, triptofano, glutammina e leucina.

Un'altra cosa in comune delle proteine è che non amano estendersi in linea retta. Le proteine si ripiegano formando un massa compatta, ma appena questo avviene, alcuni amminoacidi si distribuiscono vicino al centro e altri all’esterno; inoltre alcune coppie di aminoacidi si avvicinano mentre altre si allontanano. Ogni tipo di proteina si ripiega in una maniera specifica - la stessa ogni volta -. La maggior parte delle proteine lo fa da sola, ma alcune hanno bisogno di un aiuto extra per ripiegarsi nella forma corretta.

E’ evidente quindi che l’identità di una proteina è determinata dagli amminoacidi presenti in essa e dall’ordine in cui essi sono disposti. Sorprendentemente, una particolare catena di amminoacidi si ripiega sempre nella stessa maniera – in qualunque modo raggiunga la più bassa energia globale (necessaria al ripiegamento) -. Questo significa che per creare due identiche proteine con le stesse forme e proprietà, tutto ciò che il corpo deve fare è creare due catene con gli stessi amminoacidi nello stesso ordine. Questo è importante dal momento che di alcune proteine ci sono centinaia di copie identiche in ogni cellula del vostro corpo!

Le cellule creano continuamente nuove copie di proteine e distruggono quelle che devono essere riciclate. I progetti per generare le proteine sono i geni, che sono codificati nel vostro DNA. Ci sono piccole differenze nel DNA che rendono diverse le persone. Questo significa che le proteine di una persona potrebbero differire, di poco, da quelle di un’altra. Significa inoltre che metà delle nostre proteine le ereditiamo dalla madre (e sono come le sue) e il resto dal padre (e anche queste sono come le sue). Talvolta questo viene chiamato il Dogma Centrale della biologia molecolare: ogni gene del nostro DNA viene tradotto in una proteina nel corpo.

Le proteine sono coinvolte in quasi tutti i processi che avvengono all’interno del nostro corpo: scompongono il cibo per dar energia ai muscoli, attraverso il cervello mandano segnali che controllano il corpo e trasportano i nutrimenti attraverso il sangue. Molte proteine si comportano come enzimi, ovvero catalizzano (accelerano) reazioni chimiche che altrimenti non avrebbero luogo. Ma altre proteine danno energia alle contrazioni muscolari o si comportano come messaggi chimici nel corpo o svolgono centinaia di altre funzioni. Ecco alcuni esempi di cosa fanno:

• L'amilasi inizia il processo di scomposizione dell'amido del cibo in forme che il corpo possa usare
• L'alcool deidrogenasi trasforma l’alcool di birra/vino/liquori in forme non tossiche che il corpo usa come cibo
• L’emoglobina trasporta l’ossigeno nel sangue
• La fibrina crea una crosta per proteggere i tagli mentre guariscono
• Il collagene dà struttura e supporto alla nostra pelle, tendini e persino alle ossa
• L’actina è una delle proteine più importanti nei nostri muscoli
• L’ormone della crescita aiuta a regolare lo sviluppo da bambino ad adulto
• I canali del potassio aiutano ad inviare segnali attraverso il cervello e le cellule nervose
• L’insulina regola la quantità di zucchero nel sangue ed è usata nel trattamento del diabete

Le proteine sono presenti in tutte le forme di vita, compresi piante, batteri e virus. Alcuni organismi posseggono proteine che donano loro speciali caratteristiche:

• Il Fotosistema1 è un insieme di proteine nelle piante che catturano i raggi solari per la fotosintesi
• La luciferasi catalizza la reazione chimica che fa brillare le lucciole
• L’emoglutina aiuta il virus dell’influenza ad invadere le nostre cellule

Che relazione c’è tra le proteine e le malattie?

Con le cose che le proteine fanno per mantenere funzionante e sano il nostro corpo, possono essere coinvolte nelle malattie in molte maniere diverse. Qui sotto, una lista di tre malattie che rappresentano in maniera diversa il modo in cui le proteine possono essere coinvolte nelle malattie.

HIV/AIDS:
Il virus dell’HIV è in gran parte costituito di proteine e, una volta all’interno della cellula, crea altre proteine per aiutarlo a riprodursi. L’HIV-1 proteasi e la trascrittasi inversa (retrotrascrittasi) sono due proteine create dal virus HIV per aiutarlo ad infettare il corpo e a riprodurre sé stesso. L’HIV-1 proteasi taglia la “poliproteina” creata dalla replicazione del virus in “pezzi” funzionali a quello che gli serve. La trascrittasi inversa converte i geni dell’HIV dall’RNA in una forma che l’ospite può comprendere, il DNA. Entrambre le proteine sono necessarie per il virus per replicarsi all’interno del corpo ed entrambe sono il bersaglio dei farmaci anti-HIV. Questo è un esempio di malattia che produce proteine che non nascono naturalmente per aiutarsi ad attaccare le nostre cellule.

CANCRO:

Il cancro è molto diverso dall’HIV per il fatto che, di solito, è causato dalle nostre stesse proteine, invece che da proteine di un invasore esterno. Il cancro scaturisce dalla crescita incontrollata di cellule in una parte del nostro corpo, come i polmoni, il seno o la pelle. Di solito, ci sono sistemi di proteine che limitano la crescita cellulare, ma questi possono essere danneggiati da fattori come i raggi solari UV o i composti chimici del fumo di sigarette. Ma altre proteine, come il soppressore di tumori P53, normalmente riconoscono il danno e fermano le cellule dal diventare cancerose - a meno che non siano troppo danneggiate -. Infatti, il danno al gene per il P53 è riscontrato in circa la metà dei cancri umani (insieme con danni ad altri geni).

MORBO di ALZHEIMER:

In un certo modo, l’Alzheimer è la malattia più direttamente connessa con le proteine. Una proteina, chiamata proteina precursore beta-amiloide, è una parte normale delle cellule nervose sane nel cervello. Ma, per svolgere il proprio compito, viene tagliato in due pezzi e rilascia un piccolo frammento dal mezzo - il peptide beta-amiloide -. Molte copie di questo peptide (corto segmento proteico) posso unirsi per formare “grumi” di proteine nel cervello. Anche se parecchie cose sull’Alzheimer sono ancora sconosciute, si pensa siano questi grumi di proteine siano fortemente coinvolti nella malattia.

Che ruolo ha la struttura proteica nel trattamento delle malattie?

Le proteine sono veramente piccole, troppo piccole per essere viste persino con un microscopio. D’altro canto, usando dei raggi-x speciali o dei magneti molto potenti, gli scienziati sono stati in grado di capire le strutture di alcune proteine, come sarebbero se potessimo vederle. Una struttura completa definisce la posizione tridimensionale di ogni atomo all'interno della proteina.

Una proteina, per funzionare correttamente, deve, di solito, legarsi e interagire con almeno un altro composto chimico o un’altra proteina. Il "luogo" di questa interazione è chiamato “sito di aggancio” delle proteine (o sito attivo, per gli enzimi che effettuano reazioni chimiche). L’interazione dipende dall’adattamento quasi perfetto tra la forma del sito di aggancio e quella della cosa vincolata, come una chiave che entra nella propria serratura. Risolvere la struttura di una proteina ci permette di vedere l’esatta forma e posizione del sito(i) di aggancio.

La maggior parte dei farmaci funzionano trattando il sito di aggancio o attivo di una particolare proteina. Per esempio, il farmaco anti-cancro Tamoxifen si adatta al sito di aggancio del recettore dell’estrogeno. Senza il farmaco, l’estrogeno si unirebbe al recettore dell’estrogeno, il che contribuirebbe ad una crescita incontrollata delle cellule cancerogene. Con il farmaco l’estrogeno non può legarsi e così lo sviluppo del cancro è rallentato.

Tradizionalmente i farmaci sono stati scoperti per tentativi ed errori. Ma se una specifica proteina è nota per essere coinvolta in una malattia e se la struttura di questa proteina è nota, i farmacologi possono cercare di creare un farmaco che si unisca alla proteina. Se funziona, il nuovo farmaco si unirà alla proteina bersaglio e le impedirà di svolgere le proprie funzioni tipiche. Per esempio, due proteine del virus HIV, l’HIV-1 proteasi e la transcriptasi inversa, sono state trattare in questo modo. Sfortunatamente, questa è ancora una procedura che richiede molto tempo e il successo non è garantito. Comunque, molte persone credono che conoscere le strutture proteiche giocherà un ruolo importante nel futuro della scoperta farmacologica.

Ovviamente creare farmaci non è il solo ruolo della conoscenza delle strutture proteiche nel trattamento delle malattie: la struttura di una proteina aiuta a capire cosa fa e come. Questo può farci capire come certi processi funzionino e come essi si corrompano nella malattia. Questa comprensione di base può contribuire al trattamento della malattia al di là dello specifico farmaco.

Che cosa fa Rosetta@home sul mio pc?

Il programma Rosetta lavora su tipi di calcoli diversi, ma tutti collegati alla struttura delle proteine. Dal momento che i calcoli hanno bisogno di molto tempo e che bisogna esplorare diverse possibilità al fine di trovare la risposta giusta, è necessaria una grande quantità di computer .
Per maggiori informazioni, il giornale (on-line) Rosetta@home del Dott. David Baker è una importante fonte di informazioni aggiornate per quanto riguarda i nuovi progetti che vengono messi in funzione su Rosetta@home e come questi si leghino a importanti problemi biomedici. Inoltre è possibile seguire l’ “Active WorkUnits Log ” (Registro delle Unità di Lavoro attive), che è aggiornato sul lavoro che viene svolto da Rosetta@home anche se le descrizioni possono essere stringate e/o tecniche.

Modellazione di proteine terapeutiche:
Dal momento che le proteine sono parte di molte malattie, possono essere anche parte della cura. Il laboratorio di Baker sta usando Rosetta@home per modellare nuove proteine che possono aiutare a prevenire o curare importanti malattie. Per esempio, si sta usando Rosetta per rimodellare parti del rivestimento del virus HIV (il virus dell'AIDS) così da poterle somministrare come valido vaccino. Stiamo anche lavorando sugli antagonisti del recettore androgeno (una proteina coinvolta nel cancro alla prostata) e su nuove endonucleasi (enzima proteico che taglia il DNA) per approcci di terapia genica al trattamento di varie malattie ereditarie. Si possono vedere maggiori dettagli nell'approfondimento 1: Le malattie.

Previsione della struttura proteica:
Come sopra descritto, conoscere la struttura di una proteina è fondamentale per capire come essa lavori e come trattarla con farmaci. Rosetta cerca di predire la struttura della proteina per via computazionale, contrariamente al metodo sperimentale. Questo problema, spesso chiamato “il problema del ripiegamento proteico”, è considerato come uno dei più difficili problemi della biologia odierna. La soluzione computazionale è preferibile poiché il metodo sperimentale di solito richiede molti mesi o anni di tempo e costa centinaia di migliaia di dollari per singola proteina (e l’essere umano ha decine di migliaia di proteine differenti – per non parlare di tutte le proteine negli altri organismi).
Alcune delle strutture elaborate da Rosetta@home riguardano proteine la cui struttura non è realmente conosciuta. I modelli risultanti sono usati per risolvere alcuni specifici problemi biologici, come il meccanismo che regola una malattia. Altre elaborazioni sono test di cui si conosce già la risposta e vengono usati per migliorare Rosetta stessa. Un esempio di questi test è la competizione chiamata CASP, nella quale team di ricercatori da tutto il mondo cercano di prevedere le stutture di proteine dove la risposta è stata recentemente determinata sperimentalmente, ma che non è ancora stata resa pubblica. Rosetta fa parte dei migliori partecipanti al CASP.

Aggancio proteina-proteina:
I problemi dell'aggancio si focalizzano sul predire come due “cose” si vincolino l’un l’altra - in questo caso due proteine -. Il sapere quali parti delle proteine interagiscono e i loro orientamenti nello spazio aiuta a capire le funzioni di quelle proteine. Questo aiuta, inoltre, a creare medicinali che possono interrompere le interazioni, se l’interazione è parte della malattia (per esempio, le proteine dell’HIV che si vincolano alle proteine superficiali delle cellula così che il virus possa infettarla). In alcuni casi le strutture delle due proteine sono note, ma in altri casi dobbiamo prima predirle (vedi sopra). Per migliorare le prestazioni di Rosetta nell'aggancio
proteina-proteina, il laboratorio di Baker partecipa anche alla competizione CAPRI. Come in CASP, in CAPRI i ricercatori cercano di prevedere le interazioni proteina-proteina che sono state recentemente scoperte, ma che non sono ancora di pubblica conoscenza.

Aggancio e modellazione di farmaci:
Rosetta può anche essere usata per agganciare molecole simili a quelle dei farmaci con varie proteine per vedere come possono legarsi le une alle altre. Provando molti potenziali farmaci provenienti da un grande catalogo di molecole potremmo scoprire un farmaco che si lega alla proteina di interesse. D’altro canto, se un farmaco è già noto per la sua corrispondenza con una data proteina, possiamo elaborare dei modi per migliorarlo osservando come si lega a quella proteina.