wall:out magazine - Con Folding@home siamo tutti ricercatori spendendo solo il tempo di un click

Folding@home è un progetto di elaborazione distribuita di dati che è stato lanciato nel 2000 da Greg Bowman e il suo allora superiore Vijay Pande alla St. Louise School of Medicine della Washington University. Nel 2007 ha vinto il Guinness per avere il network più potente di computing distribuito, oggi conta più di un milione di membri. Vediamo di cosa si occupa e come funziona.

Molte malattie prevedono il malfunzionamento di un tipo di proteina. Un intero organismo può andare in crisi perché, banalmente, ma in realtà è tutto tranne che banale, una certa proteina e tutte le sue copie non fanno il loro lavoro come dovrebbero. Per avere un’idea un po’ più chiara di questo discorso bisogna fare un passo indietro e spendere qualche parola sulle proteine.

Le proteine

Quando sentiamo la parola proteina penso che alla stragrande maggioranza delle persone vengano in mente uova, petti di pollo, barattoloni di polveri magiche ed etichette di alimenti. Sicuramente la dieta, e la consapevolezza di questa, è una pratica quotidiana e che ci tocca a tutti da vicino, motivando lecitamente questa conoscenza delle proteine che è però limitata.

Infatti, credo che già molti di meno si siano mai chiesti perché mangiamo le proteine e a cosa ci servono. Per farla breve mangiamo proteine per consentire al nostro organismo di costruirne di nuove. Esso le smonta e le riassembla, come se fossero dei lego i cui mattoncini possono essere montati in infiniti modi diversi.

Ogni organismo vivente, dall’uomo alle piante, dai batteri ai pesci, ha bisogno delle proteine per sopravvivere ed è proprio con queste che svolge la stragrande maggioranza delle sue funzioni vitali. Una proteina però non è eterna, ha un suo ciclo vitale potremmo dire. Quando questo finisce viene degradata e una nuova deve prendere il suo posto, per questo abbiamo sempre bisogno di assumerne.

Le proteine negli organismi sono tra le molecole più grandi, sono infatti chiamate macromolecole, vi invito a guardare l’immagine per capire di cosa parlo, mi raccomando fate riferimento alla scala di grandezza che è logaritmica, quindi ogni scalino significa 10 volte più grande!

Interi processi fisiologici sono sorretti dal corretto funzionamento di una serie di proteine, se una non fa il suo lavoro le conseguenze possono essere molto gravi come vedremo. Ora entro un attimo più nello specifico, ma tranquilli, niente di insormontabile.

Ripiegamenti

Perché una proteina funzioni senza problemi è necessario che si “ripieghi” correttamente. Possiamo paragonare una proteina sia a un lego per il fatto che è costituita da tanti mattoncini diversi assemblati con un certo ordine, per l’esattezza 20 tipi di mattoncini chiamati amminoacidi, sia a un gomitolo. Quando nasce una proteina è un filo rilassato che poi viene ripiegato in un certo modo.

Nella sua conformazione finale il gomitolo è un sistema intricato con spigoli e tasche ben precisi. Allo stesso modo una proteina matura ha una tridimensionalità specifica, dovuta a interazioni elettrostatiche fra gli amminoacidi, che è necessaria per il suo funzionamento.

Infatti, le proteine possono essere minuscole pinze, pompe, forbici o altri sofisticati attrezzi di dimensioni molecolari che hanno bisogno di una certa forma. La forma ideale è quella più stabile energeticamente (per avere una comprensione visiva efficace vi consiglio questo piccolo video di Science).

Il folding di una proteina non è altro che il termine inglese che descrive questo ripiegamento. Accade purtroppo che talvolta un organismo non riesca più ad eseguire un corretto folding di una proteina e avviene quindi un misfolding: la proteina trova una conformazione stabile ma che non è la migliore energeticamente e a cui corrisponde la funzione biologica richiesta.

Le conseguenze possono essere gravi non solo perché quella proteina non svolgerà più il suo ruolo, ma a causa del misfolding potrebbe aggregarsi con altre sue simili e formare degli aggregati molto pericolosi.

È esattamente quello che avviene nei neuroni dei malati di Alzheimer, una patologia terribile e la più frequente tra quelle neurodegenerative.

Per studiare questo tipo di malattie è quindi necessario concentrarsi quindi sul folding proteico. Le tecniche biofisiche più utili sono quelle che ci consento di ottenere una fotografia, una istantanea della proteina come la cristallizzazione o la risonanza nucleare magnetica. Tuttavia, sono tecniche molto costose e laboriose. Un’alternativa è sfruttare un sistema artificiale, computerizzato, nel gergo: in silico.

Le proteine sono modellizzate a un ammasso di palline e stecchette che simulano gli atomi e i loro legami chimici. Da questi si calcolano le interazioni energetiche che ci danno informazioni preziosissime sul folding della proteina. È un sistema statistico, che va per tentativi di ripiegamento, più il computer è potente, cioè più la potenza di calcolo è elevata, più è probabile che sia in grado di predirre da solo un folding interessante per studiare la proteina in questione e un possibile farmaco che possa lì intervenire.

In questo video si può apprezzare cosa intendo quando parlo di palline e stecchette che interagiscono in modo diverso per trovare la conformazione ideale.

Folding@home

Arriviamo finalmente a folding@home. Quello che si sono chiesti è: come ottenere una potenza di calcolo maggiore?

Al mondo vi sono alcuni supercomputer potentissimi. Nel 2017 la classifica vedeva in cima il Sunway di Wuxi in Cina, con più di 10 milioni di cores! Per chi se ne intende, un vero titano. Mettendo in questo articolo da parte discorsi di AI, trovare un competitor a questi mostri è davvero un’impresa. E qui sta la genialità di folding@home.

L’applicazione non conta di avere un enorme super calcolatore (computer se vogliamo suonare meno informatici vecchio stampo), ma tanti piccoli, si fa per dire, calcolatori che anche distanti uniscono le forze. Dove sono questi calcolatori? Nelle nostre scrivanie e nelle nostre tasche! Tranquilli nessun virus, informatico si intende.

Si tratta di una app, come tante altre, che può essere scaricata dall’utente su PC e/o smartphone, gratuitamente. Senza che ce ne accorgiamo folding@home (sul sito tutte le informazioni per i dettagli per gli interessati) utilizza una minima parte della potenza di calcolo dei nostri computer (sì anche lo smartphone funziona come un computer) per tanti progetti di ricerca diversi. Ognuno di noi può contribuire senza spendere un centesimo, senza che la batteria o i dati internet vengano prosciugati e senza nemmeno accorgersene.

Grazie a questo piccolo ma grande aiuto possiamo supportare la ricerca in silico sul misfolding delle proteine per aiutare i ricercatori e i medici a sconfiggere malattie drammatiche come il già citato Alzheimer, la Corea di Huntington, il morbo di Parkinson, la malattia della mucca pazza, la fibrosi cistica, il diabete, il cancro e molte altre ancora, tra cui ovviamente anche il COVID-19.

Vi lascio con questo video-esempio di simulazione di folding realizzato con foldin@home. È un video molto accelerato, in nemmeno 2 minuti la magia vi viene mostrata, con tanto di musichetta epica di 2001: Odissea nello spazio.

Ora non vi resta che andare nei vostri App stores o nel sito di folding@home e fare START FOLDING, sarete anche voi dei volontari veramente moderni!

Immagine di copertina:
National Cancer Institute