當(dāng)Greg Bowman展示他研究的蛋白質(zhì)的幻燈片時(shí)，他們的三維形狀和折疊模式在大屏幕上播放動(dòng)畫。當(dāng)他描述這些分子時(shí)，可能很容易錯(cuò)過這樣一個(gè)事實(shí)：他無法真正看到自己的表現(xiàn)，至少不是觀眾的表現(xiàn)方式。鮑曼，圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子生物物理學(xué)助理教授，在法律上是盲人。他現(xiàn)在還領(lǐng)導(dǎo)著世界上最大的眾包計(jì)算生物學(xué)項(xiàng)目之一。這項(xiàng)工作旨在了解蛋白質(zhì)如何折疊成適當(dāng)?shù)男螤钜约八鼈冊(cè)诒３稚眢w健康的工作中所經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。蛋白質(zhì)是重要的細(xì)胞機(jī)器，了解它們?nèi)绾谓M裝和功能 - 或故障 - 可以揭示醫(yī)學(xué)科學(xué)中許多最棘手的問題，從預(yù)防阿爾茨海默病，治療癌癥，到抗擊抗生素。

該項(xiàng)目被稱為Folding @ home，依賴于數(shù)以萬計(jì)的家用計(jì)算機(jī)的功能來執(zhí)行模擬Bowman及其同事正在研究的蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)所需的復(fù)雜計(jì)算。憑借這種網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力，F(xiàn)olding @ home基本上是世界上最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一。

“有些傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算人員可能會(huì)對(duì)這種表征產(chǎn)生疑問，”鮑曼笑著說。Folding @ home不是一臺(tái)大型機(jī)器，而是一個(gè)分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。全世界成千上萬的志愿者下載我們的軟件，并將部分家用計(jì)算機(jī)設(shè)置貢獻(xiàn)給項(xiàng)目。但就原始計(jì)算能力而言 - 純粹它每秒可以執(zhí)行的計(jì)算次數(shù) - 它與世界上最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)相當(dāng)。“

Bowman在斯坦福大學(xué)Folding @ home創(chuàng)始人Vijay Pande博士的實(shí)驗(yàn)室開始了這項(xiàng)工作。鮑曼在斯坦福大學(xué)獲得博士學(xué)位，并在那里做博士后研究。經(jīng)過18年的掌舵，Pande選擇Bowman接管領(lǐng)導(dǎo)，將Folding @ home帶入未來十年及更長時(shí)間。

“格雷格擁有獨(dú)特的技能組合，”潘德說。“他擁有領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)復(fù)雜項(xiàng)目的技術(shù)支持，他擁有管理其分布式特性的人員技能，特別是它涉及許多不同類型的人 - 科學(xué)家和非科學(xué)家一樣的事實(shí).Greg也有很好的愿景這個(gè)項(xiàng)目的未來。他不僅要保持火車準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行，而且還要了解Folding @ home應(yīng)該在10到20年后的位置。“

Folding @ home的巨大計(jì)算能力對(duì)于理解蛋白質(zhì)折疊至關(guān)重要，Bowman稱其為生物化學(xué)和生物物理學(xué)中的經(jīng)典重大挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)是構(gòu)成我們身體的原料。但它們也是制造這些物體并確保它們正常運(yùn)行的分子機(jī)器。為了完成它的工作，蛋白質(zhì)必須折疊成適當(dāng)?shù)男问?。如果沒有，那就出問題了。

鮑曼比大多數(shù)人更了解這一點(diǎn)。

出生時(shí)視力正常，Bowman逐漸喪失視力，由于一種稱為Stargardt病的遺傳性疾病而在九歲時(shí)成為法律失明者。青少年黃斑變性的一種形式，當(dāng)一種從視網(wǎng)膜中的細(xì)胞中去除廢物的蛋白質(zhì)不能正確折疊并且不能完成其工作時(shí)引起。結(jié)果，視網(wǎng)膜中的光敏細(xì)胞變得不堪重負(fù)，導(dǎo)致中心視力喪失。

鮑曼說，這次經(jīng)歷激發(fā)了人們對(duì)生物學(xué)的熱情，并且當(dāng)我們身體所依賴的蛋白質(zhì)不能正常工作時(shí)，他們想要了解出了什么問題。最終，他想找到解決問題的方法。但作為一名年輕學(xué)生，鮑曼很快意識(shí)到他進(jìn)入野外的路線看起來可能與普通生物學(xué)家的路線略有不同。

鮑曼說：“我了解到視力受損者無法獲得實(shí)驗(yàn)生物學(xué)。” “基本上，我看到的是低分辨率，主要是我的周邊視覺。我可以在走廊和實(shí)驗(yàn)室中導(dǎo)航，但我無法讀取移液器上的小表盤。

“當(dāng)我意識(shí)到這一點(diǎn)時(shí)，我也愛上了電腦，”他說。“我看到計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)建模的技能可以應(yīng)用于生物學(xué)問題。而且，計(jì)算機(jī)的許多美女之一是它很容易放大。我可以放大16倍放大并滾動(dòng)在屏幕上，所以我可以閱讀一篇科學(xué)論文 - 甚至只是一封電子郵件 - 例如。“

通過Folding @ home，Bowman和他的同事們正在研究蛋白質(zhì)以及它們?nèi)绾握郫B超過16次。實(shí)際上，他們正在盡可能接近原子水平。通過這種聯(lián)網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，科學(xué)家們可以在單個(gè)原子水平上對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行建模，而且只需要很長時(shí)間即可使用強(qiáng)大的單個(gè)計(jì)算機(jī)。蛋白質(zhì)執(zhí)行的許多重要生物過程在幾毫秒到幾秒內(nèi)發(fā)生。這可能看起來很短，但是當(dāng)原子相互反彈時(shí)測(cè)量原子需要飛秒的時(shí)間尺度 - 一千萬億分之一秒。

鮑曼說：“為了模擬一毫秒的折疊，即使對(duì)于平均尺寸的蛋白質(zhì)，在頂級(jí)的MacBook Pro上也需要500年的時(shí)間。” “但是使用Folding @ home，我們可以將這些問題分成許多獨(dú)立的塊。我們可以同時(shí)將它們發(fā)送給1000個(gè)人。同時(shí)運(yùn)行這些計(jì)算，我們可以解決這些需要500年的問題，而不是解決它們?cè)诹鶄€(gè)月內(nèi)。“

在撰寫本文時(shí)，F(xiàn)olding @ home在全球擁有超過110,000個(gè)志愿者“文件夾”，他們共享了部分家庭計(jì)算能力。根據(jù)一些志愿者的視頻，他們?yōu)樵擁?xiàng)目做出貢獻(xiàn)的理由與Bowman一樣，是個(gè)人的。該計(jì)劃為用戶提供了一些選擇，包括他們對(duì)促進(jìn)癌癥研究，預(yù)防阿爾茨海默病或抗生素抗藥性等感興趣的項(xiàng)目。

Bowman設(shè)想未來Folding @ home將成為新藥設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。目前，科學(xué)家通常只有一種眾所周知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可供研究。例如，β-內(nèi)酰胺酶是一種蛋白質(zhì)，一些細(xì)菌用來保護(hù)自己免受抗生素如青霉素的侵害。該蛋白質(zhì)具有良好記錄，長期研究的結(jié)構(gòu)。但該結(jié)構(gòu)僅代表了一次β-內(nèi)酰胺酶的單一快照。

“這張快照包含有價(jià)值的信息，”鮑曼說。“但這有點(diǎn)像在停車場(chǎng)看到一輛施工車輛的照片并試圖猜測(cè)它的作用。真的，你想要的是觀察這件事情，看看它是如何與其他機(jī)械一起工作的，比如說建造一座建筑物。我們有興趣觀察蛋白質(zhì)中的每個(gè)原子是如何移動(dòng)的 - 因?yàn)樗堑谝淮谓M裝而且正在進(jìn)行其工作。蛋白質(zhì)中的原子永遠(yuǎn)不會(huì)靜止，它們會(huì)不斷地推擠，一個(gè)基因突變可能會(huì)改變成千上萬的原子。我們想要了解它對(duì)整個(gè)蛋白質(zhì)的影響。“

在幾個(gè)項(xiàng)目中，Bowman自己的實(shí)驗(yàn)室正在使用Folding @ home尋找抗擊抗生素的新藥。例如，觀察β內(nèi)酰胺酶的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)揭示了Bowman所謂的“神秘口袋”，即蛋白質(zhì)中可能被藥物靶向但在長期研究的這種蛋白質(zhì)快照中不可見的弱點(diǎn)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)移動(dòng)時(shí)，隱秘的口袋只能顯露出來。

由于Bowman認(rèn)為世界與大多數(shù)世界有所不同，F(xiàn)olding @ home為科學(xué)家提供了對(duì)長期研究蛋白質(zhì)的不同看法，揭示了生物學(xué)問題的解決方案，否則這些問題可能會(huì)被隱藏起來。