Rosetta@home Wissenschafts-FAQ
 

Whas ist Rosetta?

Rosetta ist ein Programm zur Strukturvorhersage und zum Design von Proteinen.

Was ist ein Protein?

Ein Protein ist ein Polymer aus Aminosäuren, deren Abfolge (Sequenz) in einem Gen codiert ist.

Was sind Aminosäuren?

Aminosäuren sind die chemischen Grundbausteine, aus denen Proteine aufgebaut sind. Im genetischen Code sind insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren codiert. Diese 20 Aminosäuren gehören zu verschiedenen Gruppen, die nach ihren chemischen Eigenschaften eingeteilt werden: sauer oder basisch, hydrophil (wasserliebend) oder hydrophob (wasserabstoßend - etwa wie Fette).

Welche Aufgabe haben Proteine?

Proteine sind verantwortlich für die Ausführung vieler lebenswichtiger Funktionen in den Zellen lebendiger Organismen. Sie replizieren (vervielfältigen) und reparieren unser Genom (die Gesamtheit unseres Erbguts, der DNA), sie spielen eine zentrale Rolle beim Zellwachstum und der Zellteilung, sie hindern Zellen daran, zu stark zu wachsen, sie geben der Zelle ihre Identität (also ob es sich um eine Leber-, Nerven- oder etwa Bauchspeicheldrüsenzelle handelt) und sie helfen den Zellen, miteinander zu kommunizieren. Wenn Proteine mutiert oder von Giften beeinträchtigt sind, können Sie außerdem Krankheiten wie Krebs oder Alzheimer auslösen. Bakterien- und Virenproteine können z.B. eine Zelle übernehmen und sie töten. Kurz gesagt: Proteine machen schlichtweg alles.

Wie führen Proteine all diese verschiedenen Funktionen aus?

Jedes Protein faltet sich in eine einzigartige dreidimensionale Gestalt, seine Struktur. Diese Struktur bestimmt die Funktion des Proteins. Ein Protein etwa, das Glukose spaltet und der Zelle so Zugang zu der in dem Zucker gespeicherten Energie gibt, hat eine Form, die die Glukose erkennt und sich dann an sie bindet (wie ein Schlüssel und ein Schloss). Es verfügt über chemisch aktive Aminosäuren, die mit der Glukose reagieren, sie aufspalten und so ihre Energie freisetzen.

Warum falten sich Proteine in einzigartige Strukturen?

Es ist seit langem bekannt, dass der native, also natürliche, Zustand der meisten Proteine das thermodynamische Minimum darstellt. Auf gut Deutsch bedeutet das, dass die einzigartige Struktur eines Proteins seinen stabilstmöglichen Zustand darstellt. Stellen Sie sich einen Ball in einem Trichter vor - der Ball rollt immer nach unten in den Trichter, denn dieser Zustand ist der stabilste.

Welche Kräfte bestimmten die einzigartige, native (stabilste) Struktur eines Proteins?

Die Reihenfolge, in der die Aminosäuren angeordnet sind, reicht ganz allein aus, um den stabilen Zustand eines Proteins festzulegen. Durch ihre unterschiedlichen chemischen Eigenschaften werden einige Aminosäuren von anderen angezogen (wie etwa entgegengesetzt geladene Aminosäuren) und werden sich daher zusammenlagern; andere Aminosäuren sind wasserabstoßend (weil sie fettähnlich sind) und zwingen so das Protein in eine kompakte Form, die verhindert, dass Wasser zu den nun im Inneren des kompaktierten Proteins "versteckten" Aminosäuren Zugang hat.

Warum ist es so schwierig, die native Struktur eines Proteins zu bestimmen?

Schon ziemlich kleine Proteine können aus 100 Aminosäuren bestehen. Die Anzahl möglicher Konformationen, die selbst ein so (relativ) kleines Protein einnehmen kann, ist geradezu astronomisch, weil es so viele Freiheitsgrade gibt. Die Energie jedes möglichen Zustands zu berechnen (und so herauszufinden, welcher davon der stabilste ist), ist ein rechnerisch unlösbares Problem. Das Problem wächst außerdem exponentiell mit der Größe des Proteins. Einige menschliche Proteine sind geradezu riesig (1000 Aminosäuren).

Und wie geht Rosetta dann an das Problem heran?

Die Philosophie von Rosetta ist folgende: wir kennen einerseits die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten von Aminosäuren und haben andererseits Informationen darüber, welche räumliche Anordnung kurze Aminosäuresequenzen prinzipiell einnehmen können; beides nutzen wir, um den Suchraum zu begrenzen und die Energie verschiedener möglicher Konformationen zu berechnen. Durch Herausgreifen einer ausreichenden Zahl von Konformationen kann Rosetta die Struktur mit der geringsten Energie und damit den nativen Zustand eines Proteins finden.

Warum ist die Strukturvorhersage mit Rosetta auf das Verteilte Rechnen angewiesen?

In vielen Fällen, in denen die native Struktur eines Proteins bereits bekannt ist, haben wir festgestellt, dass Rosettas Energiefunktion den nativen Zustand als stabiler erkennt als jeden anderen überpüften Zustand. Wir mussten aber leider erkennen, dass der native Zustand niemals erreicht wird, wenn wir die Rechnung einfach mit irgendeiner zufälligen Konformation beginnen. Wenn wir aber deutlich mehr Rechenleistung für die Lösung des Problems zur Verfügung haben, können wir viel mehr Konformationen ausprobieren und außerdem noch verschiedene Strategien testen, um zu sehen, welche davon am effektivsten ist.

 

Welchen Beitrag leistet Rosetta@home zur medizinischen Forschung?

Bemerkungen von David Baker

Meine Forschungsgruppe arbeitet sowohl an der Entwicklung von Methoden, die die Grundlage für künftige Arbeiten bilden, als auch daran, Krankheiten ganz direkt zu bekämpfen. Der Großteil der auf unserer Webseite vorgestellten Information konzentriert sich auf die Grundlagenforschung, aber ich dachte, Sie sind vielleicht mehr daran interessiert, etwas über unsere Arbeit in Bezug auf ganz konkrete Krankheiten zu hören - eine Arbeit, die durch Ihren Beitrag zu Rosetta@home unterstützt wird.
 

Malaria: Wir sind einem Gemeinschaftsprojekt angeshlossen, das von Austin Burt vom Imperial College in London geleitet wird. Dieses Projekt ist eines der von der Gates-Stiftung finanzierten "Grand Challenge Projects in Global Health". Malaria wird durch einen Parasiten verursacht, der einen Teil seines Lebenszyklus' in Mücken verbringt und dann durch Mückenstiche auf den Menschen übertragen wird. Die Idee hinter dem Projekt ist die, die Mücken resistent gegen den Parasiten zu machen, indem man Gene der Mücken deaktiviert, die der Parasit zum Überleben braucht. Unser Anteil an dem Projekt besteht darin, unsere rechnergestützten Entwicklungsmethoden (ROSETTA) dazu einzusetzen, neue, maßgeschneiderte Enzyme zu entwerfen, die genau diese Gene ansteuern und deaktivieren.

Anthrax (Milzbrand): ROSETTA wird eingesetzt, um der Forschungsgruppe unter John Colliers in Harvard beim Aufbau von Modellen des Anthrax-Toxins (also des eigentlich giftig wirkenden Enzyms) zu helfen, die wahrscheinlich bei der Suche nach geeigneten Behandlungsmethoden helfen werden. Hier finden Sie eine Zusammenfassung eines Artikels zu einem Teil dieses Projekts: http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/102/45/16409

HIV: Einer der Gründe dafür, dass HIV ein so tödliches Virus ist, ist die Tatsache, dass es Strategien entwickelt hat, die das Immunsystem überlisten. Wir arbeiten mit Forschern in Seattle und an den National Institutes of Health zusammen, um zu versuchen, einen Impfstoff gegen HIV zu entwickeln. Uns kommt dabei eine ganz zentrale Rolle zu - ROSETTA dient zur Entwicklung kleiner Proteine, die die wenigen bekannten, unveränderlichen Stellen der Hüllproteine des HI-Virus dem Immunsystem in einer Weise darbieten, die die ihm deren Erkennung und die Produktion von Antikörpern dagegen ermöglicht. Unser Ziel besteht darin, kleine, stabile Protein-Impfstoffe zu produzieren, die billig hergestellt und überall auf der Welt eingesetzt werden können.

Andere Viren: Wir haben mit Pam Bjorkmans Labor am California Institute of Technology zusammengearbeitet und dabei ROSETTA für das Protein-Protein-Docking eingesetzt, um den Mechanismus der Komplexbilding von Proteinen aus Herpes Simplex-Viren und menschlichen Proteinen zu modellieren.

Alzheimer: Alzheimer und viele andere Krankheiten werden wahrscheinlich durch eine gestörte Proteinfaltung hervorgerufen, bei der die Proteine große, zusammengelagerte Strukturen (sog. Amyloide) bilden, anstatt die eigentlich normale, biologisch aktive Struktur auszubilden. David Eisenbergs Arbeitsgruppe an der UCLA hat kürzlich einen großen Schritt nach vorne gemacht, indem sie die erste Struktur eines Amyloids gelöst hat. Mit dieser Arbeitsgruppe arbeiten wir zusammen. Ziel ist es, die nun bekannte Struktur zu nutzen, um vorherzusagen, welche Bereiche von Proteinen wahrscheinlich an der Amyloidbildung beteiligt sind. Dies wird ein erster Schritt sein, eine Amyloidbildung zu verhindern und somit hoffentlich auch die Krankheit.

Krebs: Krebs kann entstehen, wenn Mutationen an Schlüsselstellen des Genoms die normale Funktion bestimmter zellinterner Regulierungsprozesse stören. Wir entwickeln Methoden, um die DNA an bestimmten Stellen im Genom zu zerschneiden und zielen dabei ganz direkt auf Stellen ab, die mit der Entstehung von Krebs in Zusammenhang stehen. Nachdem diese Stellen zerschnitten sind, sollten sie von der Zelle mit Hilfe einer zweiten, nicht mutierten Kopie des Gens repariert werden und die Zelle aufhören, eine Krebszelle zu sein. Diese Vorgehensweise ist eine sehr spezifische Art der Gentherapie die, wenn sie erfolgreich ist, einen der Haupteinwände gegen die derzeitig eingesetzten gentherapeutischen Methoden umgeht: die momentan gebräuchlichen Methoden fügen die nicht mutierte Kopie eines Gens willkürlich irgendwo in das Genom ein - und falls das in der Nähe eines Onkogens, also einer ebenfalls krebsauslösenden Stelle, geschieht, heilt die Gentherapie zwar die eine Krankheit, löst aber gleichzeitig die nächste aus. Da unsere Methoden sich gezielt gegen spezifische Angriffspunkte richten und keinesfalls zufällig wirken, sollten sie diesen Stolperstein umgehen.

Prostatakrebs: Der Androgen-Rezeptor (AR) bindet Testosteron und ist verantwortlich für eine normale männliche Entwicklung. Wenn der AR aber eine Überempfindlichkeit gegen Testosteron entwickelt, resultiert daraus Prostatakrebs. Die momentane Behandlung von Prostatakrebs, die sogenannte Hormontherapie, besteht darin, die verfügbare Testosteronmenge zu verringern (manchmal sogar durch Kastration). Viele bösartige Tumore sind jedoch resistent gegen diese Therapie, weshalb wir versuchen, Proteine zu entwickeln, die den AR auch bei Anwesenheit von Testosteron deaktivieren. Wir tun das, indem wir Proteine entwerfen, die den AR einerseits daran hindern, in den Zellkern einzudringen (wo er ansonsten seine schmutzige Arbeit verrichten würde) und ihn außerdem, sollte er trotzdem irgendwie in den Zellkern gelangen, davon abhalten, sich an DNA anzubinden und dort tumorspezifische Gene zu aktivieren.

Die oben beschriebenen Projekte laufen derzeit noch nicht unter BOINC, weil wir kein ausreichend effizientes System haben, mit dem Teilnehmer die Jobs auf einfache Weise abliefern könnten - das soll sich aber bald ändern! Außerdem möchte ich Ihnen versichern, dass auch die derzeit auf Ihren Rechnern laufenden Strukturberechnungen einen direkten Beitrag zur Krankheitsbekämpfung leisten. Für diese direkte Beziehung zwischen Strukturvorhersage und der Behandlung von Krankheiten gibt es eine dreifache Erklärung:

1. Strukturvorhersage und Proteindesign sind eng miteinander verwandt.
   Eine bessere Strukturvorhersage führt zu Verbesserungen des Proteindesigns, die sich wiederum direkt in die Produktion neuer Enzyme, Impfstoffe usw. umsetzen lassen. Nähere Informationen zum Thema Proteindesign finden Sie in einem Übersichtsartikel, den wir kürzlich in "Science" veröffentlicht haben. Sie finden ihn auf unserer Homepage: (http://depts.washington.edu/bakerpg).
   
   Schueler-Furman, O., Wang, C., Bradley, P., Misura, K., Baker, D. (2005). Progress in modeling of protein structures and interactions Science 310, 638-642.
2. Die Strukturvorhersage identifiziert Angriffspunkte für neue Arzneimittel.
   Wenn wir die Strukturen der im menschlichen Genom codierten Enzyme im großen Stil vorhersagen können, erfahren wir dabei eine Menge über die Funktion vieler Proteine, was uns wiederum hilft, zu verstehen, wie Zellen funktionieren und wie es zu Krankheiten kommt. Direkter gesagt werden wir in der Lage sein, viele neue mögliche Angriffspunkte zu identifizieren, an denen kleine Moleküle angreifen und dann Funktionen blockieren können - diese "Inhibitoren" sind dann nichts anderes als Arzneimittel. Um es im Zusammenhang darzustellen: einer der wichtigen Bausteine in der Entwicklung neuer Behandlungsmöglichkeiten für menschliche Krankheiten besteht in der Identifikation solcher neuer Angriffspunkte. Die Mehrzahl aller neuen Arzneimittel richtet sich gegen die gleichen Zielpunkte wie ihre Vorgänger und verbessert die Behandlung darum nur geringfügig. Die Strukturvorhersage hilft uns, ganz neue Zielpunkte für Medikamente zu entdecken und damit innovative und unter Umständen bahnbrechende Verbesserungen unserer Behandlungsmöglichkeiten zu finden.
3. Die Strukturvorhersage gestattet es uns, neue Arzneimittel auf dem Wege des "Rational Design" zu erschaffen.
   Wenn wir die Struktur eines Proteins kennen, können wir die Orte bestimmen, die für seine Funktion verantwortlich sind, und gezielt Medikamente entwickeln, die diese Orte deaktivieren. Die Berechnung, ob ein kleines Molekül (Medikament) sich an ein Protein-Target anbinden und es inaktiveren kann, ist in vielerlei Hinsicht identisch mit den derzeitigen Vorhersage-Berechnungen - im Prinzip ist es ebenfalls eine Frage der Struktur mit der geringsten Energie, nur dass hier das Protein und das Medikament gemeinsam betrachtet werden müssen - und wir haben kürzlich ein Modul für ROSETTA entwickelt, das genau dieses Anbindungsproblem berechnet. Die Ergebnisse sind vielversprechend und in der nahen Zukunft werden Ihre Rechner wahrscheinlich (neben den bereits jetzt stattfindenden Faltungsberechnungen) Medikamenten-Kopplungen und die weiter oben beschriebene Entwicklung von Impfstoffen und therapeutischen Proteinen berechnen.