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Fold it: quand les jeux vidéo aident la science

Par | Catégorie: Biologie, Dossier | Le 25 jan 2012

Il existe en sciences, et notamment en biologie, de nombreux problèmes qui représentent à l’heure actuelle de véritables défis. Souvent les limitations sont technologiques: il n’existe pas ou peu d’ordinateurs assez puissants pour traiter des problèmes complexes ainsi que des jeux de données de taille astronomique. Aux environs de l’an 2000 certains projets naissaient pour mettre à disposition le temps de calcul inutilisé de vos ordinateurs. Ainsi, lorsque votre ordinateur était allumé mais non utilisé son processeur était mis à contribution pour résoudre une fraction de ces nombreux calculs que les scientifiques souhaitaient effectuer. De cette manière naquirent des projects comme Seti @ Home, Folding @ Home,…

Cependant, dans certains cas, les ordinateurs sont certes rapides mais ils sont surtout extrêmement inefficaces. Un humain aura parfois plus rapidement résolu un problème donné qu’un ordinateur, aussi rapide soit il. Mais cela se complique quand les problèmes à résoudre sont très nombreux et demanderaient une armée de scientifiques pour être résolus. Difficile donc de mobiliser de grandes foules pour aider la science.

Pour pallier ce souci des équipes de recherches ont eu la brillante idée et présenter ces puzzles biologiques sous forme de jeux vidéos accessibles et jouables par tous. Je vous propose de découvrir l’un d’entre eux nommé Fold it (d’autres viendront peut être par la suite) tout en expliquant les problématiques biologiques qu’il tente de résoudre.

Les protéines… en 3D

wholeproteinUn aperçu de l’interface du jeu Fold it

Fold It (Plie le en anglais) vous plonge dans le monde des protéines. Les protéines sont les véritables chevilles ouvrières des cellules. Il en existe des multitudes (plusieurs dizaines de milliers) qui assurrent une ou plusieurs fonctions de base au sein de chacune des cellules. Elles peuvent par exemple aider à produire de l’énergie, à en stocker, à dupliquer ou réparer l’ADN tout comme à définir la structure de la cellule.

La séquence de ces protéines est définie par notre ADN. En effet, des parties de notre séquence ADN (les gènes) sont traduits en une séquence protéique. Des triplets de nucléotides (les fameux A, T, G et C) codent pour l’un de la vingtaine d’acides aminés que peuvent utiliser nos cellules comme élément de base d’une protéine. Jusque là il peut donc paraître facile d’étudier les protéines, il ne s’agit que d’une vague traduction de notre séquence d’ADN que l’on connait déjà. Vous vous en doutiez peut être, ce n’est pas si simple. En effet, tout autant que de leur séquence en acide aminés, les protéines tirent leur fonction de leur conformation tri-dimensionnelle. Autrement dit, les acides aminés ne vont pas rester sous la forme d’une séquence linéaire dans la cellule mais vont adopter une structure 3D spécifique qui déterminera sa fonction.

De la 3D à la fonction

300px-atp_synthase Représentation de la structure tridimensionnelle de l’ATP synthase

Un des exemples les plus flagrants est celui de l’ATP synthase dont la structure est représentée à droite. Cette protéine fondamentale est présente chez presque toutes les espèces vivantes, de l’Homme aux bactéries en passant par les plantes, et est essentielle à la génération d’énergie dans la cellule. Pour les plus imaginatifs, sa forme peut rappeler celle d’une turbine avec un canal d’entrée (en haut), et une hélice en bas. Et c’est, par analogie, plus ou moins la manière dont marche cette protéine comme vous pouvez le voir sur cette animation. Un flux de protons permet de créer suffisamment d’énergie pour générer de l’ATP, une molécule à fort potentiel énergétique et utilisé dans de nombreuses réactions chimiques au sein de notre organisme. Comme vous le voyez, la structure tri-dimensionnelle de la protéine définit ici, tout comme dans la quasi totalité des cas, la fonction de la protéine.

Repliement de protéines. Nature: 1, Ordinateurs: 0.

Le problème survient alors lorsque l’on veut déterminer cette structure tri-dimensionnelle. Si cela est possible expérimentalement en ayant notamment recourt à des techniques avancées de cristallographie, cela reste très difficile et coûteux en temps et argent. Depuis plusieurs années, les ordinateurs peuvent venir aider les scientifiques mais ils se heurtent à de nombreux problèmes. Si la nature très bien replier nos protéines pour leur donner leur forme tri-dimensionnelle spécifique, les ordinateurs ont beaucoup plus de mal. Là où les protéines obéissent à des lois physiques et chimiques de base, l’ordinateur lui peine à simuler toutes les interactions possibles.

En effet, pour une séquence donnée d’acides aminés il existe une multitude de manières d’en organiser les éléments dans l’espace. Par exemple, dans le cas simple de seulement deux éléments, l’un peut se trouver dessus ou dessous l’autre, à gauche ou à droite et ce avec des angles différents (10 degrés, 20 degrés,…). En admettant qu’une protéine soit composée de plusieurs centaines d’acides aminés et qu’ils n’interagissent pas forcément qu’avec leur voisin cela créé un univers des possibles démesuré! De plus chaque acide aminé a des propriétés physico-chimiques différentes. Certains sont hydrophiles et d’autres hydrophobes (à l’image d’une goutte d’huile dans de l’eau), certains sont chargés négativement d’autre positivement,…

Ces propriétés intrinsèques définissent la fonction de la protéine mais aussi la manière dont elle se repliera et adoptera sa forme finale. En effet, les acides aminés chargés négativement tendront à s’associer avec ceux chargés positivement. Les hydrophobes tendront à se « cacher » au sein de la protéine ou des membranes de graisse afin de ne pas être en contact avec le milieu cellulaire aqueux. Et, rappelez vous, dans un espace en 3D, un élément n’interagira pas seulement avec les éléments voisins mais virtuellement avec tous les autres éléments. Comme vous le voyez, simuler le repliement de ces protéines à partir de leur simple séquence en acides aminés est une tache ardue et demandant de prendre en compte de nombreux paramètres.

Pour ces raisons les ordinateurs peinent à résoudre ces problèmes. Les algorithmes doivent tester de nombreuses combinaisons et, pour ces combinaisons définir l’énergie nécessitée pour créer une telle structure. En effet, le processus de repliement des protéines tend à favoriser les structures demandant le moins d’énergie possible pour être créées et maintenues. Si certaines astuces permettent d’éliminer certaines combinaisons, le total à tester reste immense (voir exemple de simulation).

Plus fort que des ordinateurs… des gamers!

snes_control L’équipement de base des labos du futur?

Et c’est ici que Fold it et ses joueurs entrent en scène. Si il est difficile de programmer des ordinateurs pour effectuer ce genre de taches, un humain pourra lui facilement et rapidement les effectuer. Une fois que l’on lui a expliqué, un individu lambda, comprendra très bien qu’il est plus logique de mettre un élément chargé positivement avec un élément chargé négativement tout comme il mettra les résidus hydrophobes à l’abri de l’environnement aqueux. Un humain peut donc facilement effectuer ces opérations mais nécessitera du temps en raison de la taille des protéines en question.

L’équipe de Fold It a donc eu la bonne idée de créer un jeu permettant à des internautes ayant le goût du jeu et des sciences de résoudre ce genre de problèmes de manière compétitive. En effet, grace à plusieurs étapes d’explications, le joueur apprendra les règles que suit une protéine pour se replier, quelles conformations sont favorisées et lesquelles sont défavorisées. En jouant, le joueur aura donc l’opportunité de faire grimper son score pour une protéine donnée (ou un morceau de protéine). Plus le score sera haut, plus l’énergie demandée pour obtenir une telle structure sera faible et donc plus il sera vraisemblable qu’il s’agisse de la structure réelle. De plus, il est possible à tout moment de comparer son score avec le score le plus haut trouvé pour la protéine en question. Si il existe un score plus élevé cela signifie que l’on peut faire mieux et tenter d’améliorer sa structure. Et si l’on dépasse le score le plus élevé cela ne fera qu’inciter les autres internautes à faire mieux à leur tour, la compétition permettant alors d’affiner notre connaissance de la protéine en question.

Et cela marche! Une première phase de test a permis de démontrer que les meilleurs joueurs avaient réussi à déterminer des structures avec succès. Ces structures, déjà connues, avaient été résolues par la communauté de joueur (voir article – accès payant). Le jeu est donc passé à l’étape supérieure et propose maintenant de jouer avec des protéines dont la structure est alors peu ou pas connue.

Etape suivante: le design de protéines

Mais les créateurs de Fold it sont allés encore plus loin et ont demandé aux joueurs de modifier des protéines. Le design de protéine permet d’accélérer ou améliorer des réactions chimiques connues et est amené à jouer un rôle important en biotechnologie comme par exemple pour la création de médicaments, d’énergies renouvelables ou d’agents dépolluants. Grace à une nouvelle série de jeux, les utilisateurs de Fold it ont pu s’essayer à ces problématiques en pouvant à leur guise rajouter ou supprimer des éléments en plus de les réarranger comme précédemment. Et cette approche s’est révélée efficace. Après plusieurs étapes de jeu, les internautes ont réussi à améliorer une protéine synthétique existante en la rendant 18 fois plus efficace (voir article – accès payant). L’équipe de Fold it a donc démontré que le crowdsourcing permet d’aider aussi au développement et à l’amélioration de nouvelles protéines synthétiques d’intérêt industriel, commercial ou médical.

Fold it, son équipe de développement et de scientifiques ainsi que tous ses utilisateurs sont ainsi en train de démontrer qu’une communauté d’enthousiastes formée de manière didactique peut grandement contribuer à de significatives découvertes scientifiques. Et, tout aussi important, ils vous permettent de perdre votre temps à jouer sans culpabiliser une seconde, vous le faites pour une bonne cause. :)

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5 commentaires »

  1. Plus récemment, dans Nature Structure and Molecular Biology est paru le premier modèle de la structure cristalline du virus M-PMV (Mason-Pfizer Monker Virus) – Les noms des joueurs ayant participé à ce résultat figurent dans la liste des auteurs.
    http://www.nature.com/nsmb/journal/v18/n10/full/nsmb.2119.html

  2. Merci pour la précision, j’avais loupé ce papier. Je mettrai l’article à jour en conséquence.

  3. [...] le lien d’ un article sur l’apport des jeux à la science qui fait mention de Fold it  http://www.biopsci.com/2012/01/25/fold-it-quand-les-jeux-video-aident-la-science/ écrit par  Philippe [...]

  4. [...] un jeu développé par des universitaires américains qui a permis de découvrir la structure d’une enzyme qui joue un rôle clé dans la propagation du VIH. Ce qui avait bloqué les scientifiques pendant 10 ans fut résolu en 10 jours par 40 000 personnes [...]

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