La Ciencia explicada: La ciencia por gamers

Uno de los fenómenos que acompañaron la popularización de la Internet fue la aparición de juegos en línea y de comunidades de gamers que invierten tiempo y esfuerzo en los mismos. Los miembros de estas comunidades desarrollan habilidades lógicas, visuales, de detección de patrones, entre otras, que un grupo de científicos decidió aprovechar en uno de los problemas más complejos de la biología computacional: la predicción de la estructura tridimensional de una proteína.

Las proteínas son responsables de una buena parte de las funciones que llevan a cabo los seres vivos; la información para sintetizar una proteína está codificada de forma lineal en el ADN y es traducida linealmente al lenguaje de aminoácidos mediante el código genético; sin embargo, la función biológica que la proteína desempeña depende en última instancia de la forma que adopta en el espacio, o como los biólogos la llaman, su estructura terciaria.

Representaciones de la estructura terciaria de diferentes proteína. A la izquierda se muestra una proteína (azul) unida a un ARNt (rojo). A la derecha otra proteína coloreada según su estructura secundaria. Proteín Data Bank.

Con el desarrollo de las técnicas de secuenciación de ADN, tenemos a nuestra disposición las instrucciones para sintetizar una enorme cantidad de proteínas. Los métodos computacionales para la predicción de secuencias de ADN que codifican para proteínas son relativamente eficientes y certeros. Por otro lado, la predicción de la estructura terciaria es un problema computacional infranqueable hasta la fecha más que para algunos casos delimitados.

Foldit es un juego multijugador en línea, en el que los participantes pueden manipular la estructura terciaria de una proteína con diversas herramientas inspiradas en los algoritmos tradicionales como: mover sólo el esqueleto o sólo residuos específicos de la proteína, congelar fragmentos o alinear la estructura con una conocida. Cada vez que el jugador modifica la estructura, el programa calcula la estabilidad de la misma y el objetivo es lograr una estructura tan estable como sea posible.

Interfaz de Foldit. Actualmente funciona en Linux, Windows y Mac.

Más de 57,000 jugadores activos participaron en la primera fase, y los resultados muestran claramente que esta comunidad de gamers supera consistentemente la precisión de los algoritmos puramente computacionales en la predicción de estructuras terciarias; no sólo esto, sino que los mejores jugadores no poseen una educación en ciencias afines al problema.

¿Cómo es posible que estos jugadores obtengan predicciones tan precisas? Primero hay que entender como funcionan los algoritmos puramente computacionales: estos se basan en la exploración del espacio de estructuras haciendo pequeños cambios y calculando la estabilidad en cada paso, si el cambio mejora la estabilidad entonces el programa selecciona la nueva estructura y este proceso se itera muchísimas veces hasta que ya no es posible mejorar la estructura. El problema es que estos algoritmos sufren de lo que los computólogos llaman el efecto horizonte, que básicamente significa que si para encontrar la máxima estabilidad es necesario pasar por conformaciones poco estables, entonces los algoritmos descartan estos caminos y se atoran en óptimos locales sin llegar las estructuras óptimas globales.

Mientras que las computadoras sufren por su falta de visión a largo plazo, los mejores jugadores de Foldit se caracterizan porque son capaces de anticipar efectos benéficos de ciertos cambios que no son inmediatos, sino que dependen de otros cambios. Otra diferencia entre los algoritmos tradicionales y los gamers es que los primeros exploran sólo el espacio de conformaciones mediante una estrategia predefinida, mientras que los segundos también exploran el espacio de estrategias para resolver un problema, es decir que son más flexibles y capaces de entender que diversas proteínas requieren enfoques diferentes para obtener las mejores puntuaciones.

Lamentablemente los jugadores de Foldit no son capaces de encontrar la estructura correcta en todos los casos, en especial cuando la estructura inicial es muy diferente a la real, lo que significa que es necesario cierto equilibrio entre las predicciones computacionales, que exploran el espacio total y proveen aproximaciones, y el refinamiento de los jugadores humanos.

Por último, las posibilidades que se abren con este experimento son casi ilimitadas: el estudio detallado de las estrategias de solución de los jugadores de Foldit tiene implicaciones para la biología y las ciencias computacionales por igual; además, se demuestra que es posible canalizar una actividad de entretenimiento en un valor científico que no está limitado a los especialistas.

Referencias: