A Ciência por trás do Folding@Home

**denis6902** · 16-12-2010, 23:46:20

O que são proteínas?
As proteínas são colares de aminoácidos (moléculas de cadeia longa). As proteínas são a base de como a biologia faz as coisas. Como as enzimas, são a força motriz por trás de todas as reações bioquímicas que fazem o trabalho de biologia. Como os elementos estruturais, são o principal constituinte dos ossos, músculos, cabelo, pele e vasos sanguíneos. Como os anticorpos, que reconhecem os elementos invasores e permitem que o sistema imunológico para se livrar dos invasores indesejados. Por estas razões, os cientistas sequenciaram o genoma humano (modelo para todas as proteínas na biologia). Mas como podemos entender o que estas proteínas fazem e como eles funcionam?

Por que as proteínas enovelam (fold)?
No entanto, só conhecendo essa sequência, pouco nos diz sobre como e o que faz a proteína. A fim de realizar a sua função (por exemplo, como enzimas ou anticorpos), eles devem assumir uma forma particular, também conhecida como "dobra". Assim, as proteínas são máquinas verdadeiramente surpreendentes: antes de fazer o seu trabalho, elas se montam! Esta auto-montagem é chamada de "enovelamento" ou "folding"(do inglês). Um dos objetivos do projeto é simular o dobramento e desdobramento de proteínas, a fim de compreender como as proteínas se dobram, de forma rápida e confiável, e para aprender sobre o que acontece quando esse processo dá errado (quando as proteínas "misfold", ou seja, quando elas se enovelam erroneamente).

Proteína de dobradura e doenças: EEB (vaca louca), Alzheimer, Huntington, ...etc
O que acontece se as proteínas não se enrolam corretamente? Doenças como a doença de Alzheimer, fibrose cística, BSE (doença das vacas loucas; uma forma hereditária de enfisema), e até mesmo muitos canceres são resultado do enovelamento incorreto das nossas proteínas. Quando as proteínas enrolam-se erroneamente, elas podem se agregar (ou congestionar). Sendo assim, estes grupos podem reunir-se em muitas vezes no cérebro, onde se acredita que causam os sintomas da vaca louca ou a doença de Alzheimer por exemplo.

Porque é que o enovelamento de proteínas é tão difícil de se entender?
É incrível que não só as proteínas se juntem, mas também fazem este processo incrivelmente rápido; algumas tão rápido quanto um milionésimo de segundo. Este processo é realizado rapidamente no corpo humano, porém é bem longo e demorado para que os computadores o simulem. Na verdade, ele leva cerca de um dia para simular um nanosegundo (milionésimo de segundo). Infelizmente, as proteínas se dobram dentre intervalos de dezenas de microssegundos (10.000 nanosegundos). Assim, levaria 10.000 dias de "Trabalho CPU" para simular o enrolamento, ou seja, levaria 30 anos de trabalho. Isso é muito tempo para esperar por um resultado!

Nossa solução: usar novos algoritmos de computação distribuída para simular o que não seria possível antes
Nosso grupo tem desenvolvido várias novas maneiras de simular o dobramento de proteínas que podem quebrar a barreira fundamental de simulações nas escalas de tempo experimental, dividindo o trabalho entre vários processadores em uma nova maneira (com uma velocidade quase linear até um certo número de processadores). Assim, com o poder do Folding@Home (mais de 100.000 processadores), conseguimos quebrar a barreira do microssegundo, simulando milissegundos de tempo de dobradura, que ajudou a desvendar o mistério de como as proteínas se dobram num período de tempo muito menor.

O que temos feito até agora e para onde estamos indo?
Folding@Home é um sucesso. Entre 2000-2001, foram dobradas várias pequenas e simples proteínas, com validação experimental do nosso método. Estamos trabalhando agora para desenvolvê-lo ainda mais, e aplicá-lo as proteínas mais complexas e interessantes, especialmente entre as proteínas mal formadas ou "foldadas". Desde 2002, o Folding@Home tem estudado proteínas mais complexas e muitos outros. Recentemente, temos colocado um grande esforço para estudar proteínas relevantes para a cura de doenças, como Alzheimer e o mal de Hunntington. Você ainda pode saber muito mais aqui: "Papers Page" (somente em inglês).

Como posso saber mais sobre como o Folding@home funciona e o que o Folding@home tem feito até agora?
Um bom lugar para começar a aprender sobre alguns dos nosso sucessos com o Folding@Home e também como o Folding@Home funciona é começar pelos trabalhos mais recentes ou relatos da imprensa sobre o nosso trabalho. Confira também o nosso FAQ e, em particular, a nossa página sobre as doenças e as questões biomédicas que estamos estudando.

Você poderia me dizer onde encontrar mais sobre a matemática por trás do Folding@home, ou seja, os tipos específicos de cálculos que estão sendo realizados?
As informações fornecidas na Wikipedia sobre estes temas são muito bem escritas, assim sendo provavelmente o melhor lugar para começar. Sugerimos que comecem pela Mecânica Molecular, Dinâmica Molecular, Campos de Força e de "Implicit Solvation".