Počítačem proti rakovině! Rosetta@home

Článek byl se souhlasem autora převzat a mírně upraven z technet.idnes.cz

Rakovina, Alzheimerova či Parkinsonova choroba, AIDS... slova, která ve většině lidí vyvolávají oprávněně negativní dojem. Boj s nimi zdaleka není u konce, avšak vůbec není beznadějný. Věda pomalu ale jistě postupuje při odhalování jejich příčin a při hledání léků, které by člověku pomohly. Podívejme se v stručnosti na jednu z těchto bojových front, týkající se rakoviny, která se slibně vyvíjí a v poslední době dostala díky rozvoji výpočetní techniky nové posily.

Co je to rakovina?

O této chorobě ví prakticky každý, ne všichni však znají hlouběji také její příčiny. Rakovina v podstatě není jedna choroba, nýbrž jedná se o několik chorob, kterých společnou črtou je porucha množení buněk. Náš organismus se neustále obměňuje ? ztrácíme kousíčky kůže, rostou nám vlasy, nehty, a také vnitřní tkaniva jsou na tom podobně - např. červené krvinky mají životnost cca 3 měsíce a poté jsou nahrazeny novými čerstvými posilami z kostní dřeně. Za normálních okolností se tedy vaše tělo v průběhu života mnohokrát téměř celé kompletně obnoví (s výjimkou některých tkaniv, např. mozkových neuronů), neustále vznikají nové a nové buňky a staré odumírají. Proces množení buněk je velice delikátní, v mnohobuněčném organismu složitý a podléhá množství kontrolních mechanizmů. Každý orgán má pro své buňky vlastní pravidla hry. Jestli je buňka nesplní, je jí zakázáno dále se množit anebo je buňka dokonce usmrcena (tzv. apoptóza). Teď si už můžeme přesněji odpovědět i na původní otázku ? rakovina je jednoduše porucha tohoto množení včetně selhání kontrolních mechanizmů. Narušená buňka se tedy začne nekontrolovaně dělit, čímž samozřejmě osudově naruší harmonii celého organismu.

Rakovina může postihnout prakticky všechny orgány nebo části těla, závisejíc na její příčinách. Přehnané slunění může způsobit rakovinu kůže, pití alkoholu rakovinu jater nebo ústní dutiny, zlá životospráva rakovinu tlustého střeva atd. Obecně se dá říci, že přítomnost cizorodých agresivních látek nebo okolností vytváří vhodné předpoklady pro výskyt rakoviny. Proč? Co vlastně způsobí samotnou poruchu rozmnožování buněk?

Čtyři metry zakódovaného života.

Odpověď je jednoduchá ? v naprosté většině případů je prvotní příčinou poškození tzv. DNA molekuly. DNA označuje tzv. deoxyribonukleovou kyselinu, která je jednou z nejzázračnějších molekul jaké známe. Je v ní zakódován celý váš organismus, princip a fungování všech orgánů a dokonce i takové detaily jako barva vašich očí, základní črty tváře nebo náchylnost vůči některým chorobám. Jednoduše celá genetická informace. DNA se skládá ze dvou navzájem obtočených spirál, které do sebe zapadají jako skládačka a jsou vystavěny ze čtyř základních stavebních kamenů ? malých molekul, tzv. nukleotidů. V každé DNA jsou jich miliardy a jejich pořadí kóduje informaci o organismu. DNA molekulu obsahuje jádro téměř všech buněk ve vašem těle ? je stočena do malinkatého prostoru v centru buňky. Kdybyste však lidskou DNA molekulu obsaženou v jedné buňce rozpletli, měla by délku přibližně 4 metry. Celková délka DNA molekul ze všech buněk vašeho těla by stačila na sedmdesát cest ze Země na Slunce!

Obr. 1: Krátký úsek DNA molekuly ? dvojité spirály. Barevně jsou označeny různé druhy atomů, z kterých se skládá (vodík, uhlík, fosfor, dusík a kyslík).

Proteinová policie.

Při každém dělení buňky se musí rozdělit také DNA molekula v jejím jádře. Dovedete si asi představit, jak náročné musí být rozdělit a zkopírovat miliardy nukleotidů tak, aby se nic nepopletlo. Navíc, DNA molekula v našich buňkách je neustále vystavována zkouškám ? např. je bombardována zářením z přirozeného radioaktivního rozpadu prvků v našem prostředí, kosmickým radioaktivním zářením, taktéž i radioaktivním zářením způsobeným člověkem (následkem testů jaderných zbraní anebo provozem elektráren).

Nejenom radioaktivita však útočí na DNA molekulu ? častokrát mnohem závažnějším nepřítelem jsou nejrůznější chemické látky v našem organismu, které se do něho dostaly z vnějšího prostředí (např. různé exhaláty v znečištěných oblastech), případně se vyprodukovaly v organismu jako vedlejší produkt metabolismu. Tyto látky se mohou na DNA navázat a změnit tak její strukturu a chemické vlastnosti.

Přesto všechno ? v drtivé většině případů se náš organismus dokáže s uvedenými problémy vypořádat. Vděčí za to přirozené a neuvěřitelně důvtipné ochraně, kterou je vybaven, a která se vyvíjela stovky milionů let. Ve všech našich buňkách totiž neustále hlídkují ohromné armády policajtů a opravářů ? v podobě tzv. proteinů. Existuje velice mnoho druhů proteinů - jsou to jedny z nejdůležitějších molekul v našem těle. Jejich úkolem zdaleka není pouze kontrola množení buněk, plní nespočetné množství dalších úkolů, kterých vyjmenování by zabralo několik knih, a z kterých mnoho ještě neznáme. Soustřeďme se teď pouze na jeden z těchto úkolů ? kontrolu a ochranu DNA.

V každém okamžiku se po našich DNA molekulách přesouvají speciální proteiny, které ji ?scanují? a zjišťují, jestli není poškozena. Najdou-li poruchu, okamžitě se na molekulu navážou, vyhlásí poplach a podle závažnosti poškození ji sami opraví nebo přivolají na pomoc další specializované proteiny. Je fascinující, jaké složité procesy dokáže příroda vytvořit ? ani důmyslní vědci ještě zdaleka nechápou celou složitost těchto procesů, přičemž když se některé z nich podaří konečně vysvětlit, tak častokrát jenom žasnou nad genialitou řešení, které příroda našla.

Život v počítači.

Při odhalování tajemství procesů probíhajících v našem těle měli vědci dlouho jenom jedinou možnost ? uskutečňovat experimenty. Jenomže ty mají mnoho nevýhod ? jsou pomalé, náročné na techniku, drahé a mnohokrát nedokážou zjistit detaily zkoumaných procesů. Avšak poslední období se díky překotnému rozvoji výpočetní techniky zrodila úplně nová oblast výzkumu ? počítačová biochemie. Vědci pomocí důmyslných programů dokážou v počítači připravit např. model proteinu s DNA, spustit počítačovou simulaci chování se takového systému a ? na obrazovce počítače můžou detailně sledovat, co se děje. Dokážou tak odhalit detaily, které experimentátorům unikají a např. přesně zjistit, které části proteinu jsou zodpovědné za odhalení poškození v DNA, které za přichycení k poškozenému místu, jak přesně protein zavolá na pomoc své kamarády, a jak nakonec poškození opraví. Samozřejmě, tento výzkum jde ruka v ruce s experimenty ? vstupní údaje do modelu totiž musí souhlasit s realitou.

Obr.2: Příklad počítačového modelu proteinu, který právě objevil poškození DNA molekuly, navázal se na něj a zanedlouho zavolá na pomoc celou sérii pomocníků, s kterými poškození opraví. Jedná se o tzv. Ku heterodimér, složený ze dvou částí (modré a rudé), který hledá jedno z nejzávažnějších poškození DNA - protrhnutí obou spirál, z kterých se DNA skládá. DNA je žlutá spirála ve středu obrázku (díváme se na ní podél její osy). V případě selhání opravy tohoto poškození téměř vždy dochází k smrti buňky nebo vzniku rakoviny či jiné závažné choroby. Protein je na molekulární poměry obrovský ? skládá se z více než 9 tisíc atomů. Je tedy velice složité zjistit, která jeho část je za co odpovědná.

V praxi to posléze vypadá např. tak, že experimentátoři objeví protein, o kterém si myslí, že hraje v procesu opravy jistou roli, ale neznají, jak ji uskutečňuje. Právě tehdy pomůže detailní simulace, která najde části proteinu odpovědné za průběh opravy. Její výsledky potom můžou experimentátoři použít a po dalším ověřování připravit speciální protein, který obsahuje právě důležitou část určenou simulací. Jinými slovy, takovýmto postupem se postupně dospěje k výrobě léku. Samozřejmě, tento popis je velice zjednodušený, ale v hrubých rysech naznačuje, že v dnešní době simulace nesmírně pomáhají při odhalování příčin chorob a zároveň při hledání účinných léků.

Hledání léků u vás doma.

Mnoho lidí si myslí, že věda a výzkum je věc vzdálená a složitá, že je to něco, do čeho nemůže zasáhnout a co jen občas běžnému člověku přinese nějaký užitek. Není to však celkem tak. Existuje výjimečná a vzrušující možnost jak se přímo zúčastnit např. také zmiňovaného výzkumu proteinů a hledání léků. Stačí mít na to běžný počítač a alespoň občasné připojení k internetu. Tato možnost se nazývá distributed computing. Jednou z nejperspektivnějších variant je tzv. BOINC (Berkeley Open Infrastructure Network Computing) - open source platforma vyvinutá na Berkeley University of California, pod kterou pracuje několik zajímavých vědeckých projektů. Princip spočívá v tom, že původně velký úkol, který každý z projektů řeší, se rozdělí na množství malých, které se prostřednictvím internetu rozešlou počítačům po celém světě zapojeným do projektu.

Každý počítač poté využije svůj přebytečný výkon (BOINC jako proces má nejnižší prioritu, takže nesnižuje výkon počítače), zanalyzuje svou malou část dat a odešle ji centrálnímu serveru. Ten složí výsledky dohromady a počítači zašle další část dat, přičemž za odvedenou práci přidělí odpovídající virtuální kredit. Vědeckých projektů je několik ? můžete se zapojit do libovolného počtu z nich. Jejich společnou črtou je, že se jedná o projekty nesmírně náročné na výpočetní výkon. Jelikož rozpočty vědeckých organizací jsou omezené, není možné je řešit na drahých superpočítačích. Proto se vědci obrátili na pomoc vás, běžných uživatelů. Navíc, celkový výkon BOINC je větší než výkon jakéhokoliv superpočítače a neustále se zvyšuje, jelikož zapojených jsou již stovky tisíců účastníků.

Problematikou vývoje léků proti rakovině, ale i jiným chorobám souvisejícím s DNA a funkcí proteinů se nejkvalitněji věnuje projekt Rosetta@home. Vědci z desítek tisíců lidských proteinů totiž podrobně znají funkci pouze omezeného počtu z nich. Jelikož však již známe kompletní lidský genom (tedy posloupnost nukleotidů a genů), úkolem projektu je na jeho základě vypočíst tvar a z něho přímo vyplývající funkci těchto proteinů v našem organismu. Výsledky jsou zdarma odevzdávané do obecné vědecké databáze, z které můžou čerpat všechny výzkumné týmy ve světě ?velká databáze proteinů se známým tvarem a funkcí umožní mnohem rychlejší vývoj účinných léků. Svůj procesorový čas tedy věnujete velice užitečné věci, která přímo pomůže vědcům v jejich práci.

Obr. 3: Průběh zpracování můžete sledovat na efektním šetřiči obrazovky, který je součástí projektu Rosetta@home. Instalace a spuštění potřebného softwaru je velice jednoduchá a zvládne ji i úplný začátečník. Popis grafiky najdete zde.

Vzrušující objevy a vyléčení pacienti.

Běžné PC zapojené do BOINC již pomáhají nejenom biochemikům, ale např. také jaderným fyzikům při stavbě největšího urychlovače na světě LHC, klimatologům při simulaci globálního oteplování planety, astrofyzikům při hledání gravitačních vln předpovězených Einsteinovou teorií relativity, astronomům při analýze signálů z největšího radioteleskopu na světě umístěném v Arecibo za účelem nalezení signálu od případných inteligentních civilizací a dalším vědeckým projektům. Navíc, zmíněný přidělovaný virtuální kredit někdy přináší také zajímavou a vzrušující soutěž mezi účastníky.

Podrobnější informace a návod na zapojení naleznete na www.CzechNationalTeam.cz a také na stránkách Rosetta@home. Nevyužitý výkon vašeho počítače tak věnujete vědě a lidstvu, přičemž nikdy nevíte, v jaké podobě se vám tento ušlechtilý čin může v budoucnu vrátit.

Mgr. Juraj Kotulič Bunta, Ph.D, Japan Atomic Energy Agency, Výzkumná skupina pro analýzu účinků radiace, Japonsko

Svůj komentář na tento článek, co by mělo být opraveno, či doplněno můžete napsat do této sekce na našem týmovém fóru. Téma s komentářem k tomu konkrétnímu článku, by mělo nést stejný název, jako článek na webu.