Rosetta@home und seine Grafiken.

Über Rosetta

 Eines der Hauptziele von Rosetta ist die Vorhersage der Gestalt, in die Proteine sich in der Natur falten. Proteine sind lineare Moleküle, die durch Polymerisation von Aminosäure-

Monomeren entstehen und werden oft auch als "Ketten" bezeichnet. Die Aminosäuren sind sozusagen die "Kettenglieder" der Proteinkette. Wenn man sie sich wie eine Metallkette vorstellt, wird leicht klar, wieviele verschiedene Formen sich je nach den auf die Kette einwirkenden Kräften ergeben. Wenn man z.B. an beiden Enden zieht, bekommt man eine gerade Linie; lässt man die Kette fallen, ergibt sich jedesmal eine andere, einzigartige Form. Im Gegensatz zu Metallketten, die aus identischen Gliedern aufgebaut sind, bestehen Proteine aus 20 verschiedenen Aminosäuren, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden (u.a. durch verschiedene Formen und anziehende bzw. abstoßende Wirkungen). Wenn man sie miteinander kombiniert, üben sie Kräfte auf die Kette aus, die diese in eine bestimmte Form treiben, was wir eine "Faltung" nennen. Die Reihenfolge, in der die Aminosäuren aufeinander folgen, bestimmt die Faltung des Proteins. Es gibt viele Arten von Proteinen, und alle unterscheiden sich durch die Anzahl und Reihenfolge ihrer Aminosäuren.

Um die Form, die ein bestimmtes Protein in der Natur einnimmt, vorherzusagen, versuchen wir, die Faltung mit der geringsten Energie zu finden. Die Energie wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt. Einige Aminosäuren ziehen sich z.B. gegenseitig an; wenn sie sich also in direkter Nachbarschaft befinden, hat die Wechselwirkung zwischen ihnen einen direkten Einfluss auf den Energiegehalt der Struktur. Rosettas Strategie, die Form mit der geringsten Energie zu finden sieht folgendermaßen aus:

1. Beginne mit der vollkommen ungefalteten Kette (wie eine gespannte Metallkette).
2. Bewege einen Teil der Kette und erzeuge so eine neue Form.
3. Berechne die Energie dieser neuen Form.
4. Akzeptiere diese Bewegung oder verwerfe sie, je nach der Energiebilanz.
5. Wiederhole Schritt 2 bis 4 so lange, bis jeder Teil der Kette vielfach bewegt wurde.

Wir nennen dies eine Trajektorie. Das Endergebnis einer Trajektorie ist eine vorhergesagte Struktur. Rosetta merkt sich die Form mit der geringsten Energie, die in jeder Trajektorie gefunden wurde. Jede Trajektorie ist einzigartig, da jede ausprobierte Bewegung durch eine zufällig erzeugte Zahl bestimmt wird. Nicht jede Trajektorie findet die gleiche Form mit der geringsten Energie, weil es so viele Möglichkeiten gibt.

Eine Trajektorie kann aus zwei Phasen bestehen. In der ersten Phase werden die Aminosäuren vereinfacht dargestellt, wodurch wir viele verschiedene mögliche Formen in kurzer Zeit ausprobieren können. In dieser Phase wird also mit niedriger Auflösung gesucht und man sieht auf dem Bildschirmschoner, dass die Kette ziemlich rasch herumhüpft. In der zweiten Phase werden die Aminosäuren komplett dargestellt. Diese Phase heißt "Relaxation". Statt ständig hin und her zu hüpfen, werden nun kleinere Bewegungen ausprobiert, um zu versuchen, die Aminosäuren in die richtige Anordnung zu bringen. Diese Phase ist die eigentliche hochaufgelöste Suche und die Proteinkette wackelt im Bildschirmschoner nur noch wenig. Die erste Phase kann Rosetta auf einem aktuellen Rechner in ein paar Minuten abarbeiten. Die zweite Phase dauert länger, weil sie durch die in voller Auflösung (also mit sämtlichen Atomen) dargestellten Aminosäuren deutlich komplexer ist.

Ihr Computer erzeugt typischerweise 5 bis 20 solcher Trajektorien (je Work Unit) und schickt uns aus jeder Trajektorie die Form mit der niedrigsten Energie zurück. Wir sehen uns dann alle Niedrigenergieformen an, die von sämtlichen Teilnehmerrechnern erzeugt wurden, um daraus wiederum diejenige mit dem geringsten Energieinhalt herauszufinden, die dann unsere Vorhersage für die Faltung dieses einen Proteins darstellt.

Bildschirmschoner

Der Bildschirmschoner zeigt die Berechnung jeder einzelnen Trajektorie live an:

Es gibt vier Fenster, die die Form der Proteinkette zeigen.

"Searching..." zeigt die Bewegungen, die Rosetta an der Kette durchprobiert. Zur Verdeutlichung der Form der Kette ist diese in Regenbogenfarben von Blau am einen bis nach Rot am anderen Ende eingefärbt.

"Accepted" zeigt den bis dahin letzten akzeptierten Schritt.

"Low Energy" zeigt die in der aktuellen Trajektorie gefundene Form mit der niedrigsten Energie.

"Native" zeigt die experimentell bestimmte, tatsächliche Form (soweit bekannt).

Außerdem gibt es zwei Kurven und ein Diagramm, die die Energie und die mittlere quadratische Abweichung jeder akzeptierten Bewegung festhalten.

"Accepted Energy" ist eine Kurve, die die Energie jeder akzeptieren Bewegung in dieser Trajektorie anzeigt. (Die x-Achse entspricht dem Verlauf der Trajektorie, die y-Achse zeigt die Energie.)

"RMSD" zeigt, wie nahe die momentan akzeptierte Struktur an der richtigen Antwort liegt. (x-Achse: RMSD (mittlere quadratische Abweichung), y-Achse: Fortschritt.)

Im letzten Fenster unten rechts ist die Energie gegen die RMSD jeder akzeptierten Bewegung aufgetragen. Dieses Diagramm ist identisch mit den auf der Seite der Besten Vorhersagen dargestellten Diagrammen, nur dass hier jede im Verlauf einer Trajektorie *akzeptierte* Bewegung eingetragen wird. Die Diagramme in den Besten Vorhersagen dagegen zeigen aus jeder berechneten Trajektorie nur die jeweiligen Einzelfaltungen mit der absolut niedrigsten Energie.