Rosetta@home - Grafické rozhranie

Hlavným cieľom Rosetty je predpovedať tvary, ktoré bielkoviny zaujmú v prírode. Tento proces si môžeme prestaviť ako ohýbanie „reťaze“, kde jednotlivé oká predstavujú jednotlivé aminokyseliny. Každá aminokyselina má unikátne vlastnosti (rôzne príťažlivé a odpudivé sily). Na základe týchto síl je možné vypočítať energetický obsah každého ohybu, bielkoviny, teda nájsť energeticky výhodný tvar.
 

Ako už bolo ozrejmené v predchadzajúcom článku, cieľom Rosetty je nájsť taký tvar bielkoviny, ktorý bude vo vodnom prostredí v termodynamickej rovnováhe, to znamená, že ten tvar (terciárna a kvartérna štruktúra) musí mať najnižší energetický stav. Interakcie ktoré vstupujú do procesu skladania musia ako celok priniesť žiadaný stav a pri skladaní sa musí uvoľniť čo najviac voľnej energie. Čím viac energie sa uvoľní, tým ťažšie sa budú denaturovať („rozplietať"). Energia nám vlastne priamo hovorí na koľko je tá ktorá bielkovina stabilná. Keď bude vo vysokom energetickom stave tak na rozrušenie stačí menšie množstvo energie, preto aj malý vplyv prostredia ju môže poškodiť. Z tohto sa môžu odvíjať rôzne choroby.

V súčasnosti sa 3D tvary získavajú z kryštalickej formy proteínu pomocou röntgenovej kryštalografie, alebo menej často aj nukleárnou magnetickou rezonanciou. Tieto techniky sú dosť nákladné a náročné. Umožňujú nám poznať proteín len v jeho kryštalickej forme a nie ako rozpusteného v roztoku, zároveň sa tieto techniky nedajú využiť na všetky proteíny. To znamená, že v súčasnosti je hlavným cieľom Rosetty predpovedať tvary blízke tejto kryštalickej forme alebo ešte lepšie, prekonať ju a poskytnúť tvar vyskytujúci sa vo vodnom prostredí. Takto môžeme získať výslednú konformáciu bez prvotnej izolácie do kryštálu a bez náročného a s časti nepresného nepriameho skenovania. Proteín sa následne môže virtuálne ďalej spracovávať.

Rosetta v akcii...

Stratégiu Rosetty pri hľadaní nízkoenergetických stavov môžeme opísať takto:

1. Začneme s plne rozvinutým reťazcom, ktorý sa skladá z určitých aminokyselín
2. Reťazec náhodne poskrúcame aby sme vytvorili nejaký tvar
3. Vypočítame energeticky stav nového tvaru
4. Prijmeme alebo zamietneme tvar na základe energetickej zmeny
5. Opakujeme kroky 1 až 4 kým každú časť reťazca mnohokrát neposunieme

Tento proces nazývame trajektória a jej výsledkom, výstupom je predpovedaná štruktúra. Rosetta si pamätá dráhu nízkoenergetického tvaru, nájdeného v každej trajektórii. Každá trajektória je unikátna, pretože posuny sú založené na náhodnej operácii. V jednej trajektórii sa nenájde konečný tvar s najnižšou energiou. Treba vyskúšať mnoho náhodných trajektórii, čo je náročne na výpočtový výkon na jednu molekulu bielkoviny. Keďže je to náhodný proces existuje riziko, že sa zamietne sa tvar, z ktorého by neskôr mohol vyjsť lepší model. Tento negatívny vplyv sa Rosetta snaží vývojom čo najviac eliminovať. 

Trajektória sa skladá z dvoch úsekov. Prvý používa zjednodušenú reprezentáciu aminokyselín a umožňuje vyskúšanie mnoho tvarov. Hovoríme o hľadaní s nízkym rozlíšením a reťazec sa na obrazovke rýchlo pohybuje. V druhej časti sa používa plná reprezentácia aminokyselin. Táto fáza sa nazýva uvoľnenie (relaxacion). Namiesto toho aby sme bielkovinou rýchlo hýbali, skúšame menšie a jemné pohyby aby sme aminokyseliny čo najpresnejšie usporiadali za účelom vysokého energetického prínosu. Je to hľadanie s vysokým rozlíšením - proteín sa na obrazovke pohybuje pomaly a bývajú ukázané aj jednotlivé postranné reťazce aminokyselín. Prvá fáza je hotová behom niekoľkých minút, druhá fáza trvá o dosť dlhšie pre komplexnosť AK. Počítač bude generovať 5-20 trajektórii (závisí to od zložitosti proteínu a nastaveného času počítania, pri niektorých zložitých proteínoch sa jedna trajektória počíta viac ako 3 hodiny pri CPU 2GHz). Potom sa zašlú tvary s najnižšou energiou každej trajektórie späť do centra Rosetty. Nakoniec sa analyzujú všetky získane tvary a vyberie sa konečný tvar s najnižšou energiou. Konkrétne, napríklad pracovná jednotka bielkoviny t042 pod označením t042_1_NMRREF_1_t042_1_S_00003_0001213_4471:

 
Obrázok ukazuje stavy sa najnižšou energiou všetkých počítaných trajektórii. Ja som počítal sedem (červená) a zvýraznil som konečný stav (zelená) s najnižším energetickým stavom

Grafické rozhranie (screensaver)

Grafika ukazuje priebeh a priestorový tvar každej trajektórie v 4 kolónkách:

„Searching...“ (hľadanie) ukazuje pohyby, z ktorých Rosetta skladá tvar.

„Accepted“ (prijatý) ukazuje naposledy prijatý pohyb tvar

 
„Low Energy“ (nízkoeneretický) ukazuje tvar, ktorý vykazuje najnižšiu energiu v danej trajektórii

 
„Native“ (prírodný) ukazuje experimentálne určený skutočný tvar (ak je známy)

„Accepted Energy" (akceptovaná energia) graf ukazuje akceptovanú energiu každého akceptovaného tvaru v prebiehajúcej trajektórii (os x ukazuje časový priebeh a os y zase energiu)

„RMSD" (Root Mean Square Deviation, relatívna štvorcová odchýlka) ukazuje ako veľmi sa líši súčasný prijatý tvar od skutočného „Native" tvaru (os x ukazuje RMSD a y časový priebeh)

 
„Accepted Energy vs. RMSD" tu sa vykresľuje akceptovaná energia a RMSD jednotlivých tvarov práve prebiehajúcej trajektórie. Z každej trajektórie sa vyberie jeden stav s najnižšou energiou a ten sa pošle Rosette, ktoré pridá k ostatným vypočítaným v každej bielkovine. Najlepšie predpovede sa zúčastnia súťaže CASP.

„Info" Rôzne informácie o počítanej jednotke a užívateľovi ako percento a čas výpočtu, fáza výpočtu, číslo trajektórie, počet ohybov, číslom vyjadrené akceptovaná RMSD a energia, meno užívateľa, tým, počet kreditov, priemerný kredit, typ a verzia aplikácie.

© by OŠO, Miloš Laššák