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玩網遊也能玩出頂級科學成果

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開發這款電子遊戲的終極目標是,玩這個摺疊蛋白質遊戲的普通人,也可以玩出諾貝爾獎級別的科學發現來。

電子遊戲在我們的生命中佔據了相當大的一部分時間。根據2011年的一項數據,到21歲的時候,一個普通的電子遊戲玩家在遊戲上花費的時間相當於他 (她)整個中學階段的上課時間。而更早的一項統計給出的數字是,僅僅在一年裡,全世界玩接龍遊戲的時間累計為90億小時,相當於建設500條巴拿馬運河的 時間。

幾名生物學家和計算機專家在三年前的一次頭腦風暴中獲得一個創意:何不讓人們將花在打怪獸和救公主上的腦力用於科學研究?他們研發了一款叫做「Foldit」(摺疊)的網絡遊戲,玩家在遊戲的競爭中有可能為醫學研究做出貢獻,甚至於找到治療艾滋病或阿爾茨海默症的藥物。

Foldit遊戲有著詭異卻又誘人的畫面,玩家的任務就是摺疊蛋白質,尋找它最穩定的狀態。

研發這款遊戲的三位主角分別是華盛頓大學的計算機專家左蘭·波波維克(Zoran Popovic)、生物學家大衛·貝克(David Baker)和計算機科學家大衛·肖森(David Salesin)。遊戲於2008年上線,2010年研究人員和玩家在《自然》雜誌上發表第一篇論文,2011年他們在包括《美國國家科學院院刊》 (PNAS)在內的幾家重要學術刊物上一口氣發表了五篇論文。

在這些文獻的署名中,多數都會出現「Foldit玩家」這樣一個看起來有點怪怪的集體署名。根據遊戲上線之初波波維克的豪言壯語:「我們可能改變科學研究的方式,以及完成科研的群體。我們的終極目標是,讓普通人來玩這個遊戲,產生出諾貝爾獎級別的成果。」

草根分子生物學家

Foldit遊戲有著詭異卻又誘人的畫面——特別是對沒有生物學背景的新玩家而言更是如此。一條或者多條彩色鏈狀物以各種形態彎曲摺疊,某些鏈條呈綠色,某些鏈條呈紅色。鏈條與鏈條之間可能還存在藍白相間的條帶。這一切都足以讓初次接觸Foldit的人一頭霧水。

不過,只要簡單地接受一下在線培訓,就能很快掌握遊戲的基本規則。遊戲規則完全按照現實中的物理規律設定。玩家的任務就是摺疊蛋白質,尋找它最穩定的狀態。

雖然蛋白質種類繁多,但它們都是由一條或者多條氨基酸鏈(肽鏈)摺疊而成的。一種蛋白質只有一種特定的形狀,這種形狀下的蛋白質能保持在最穩定的狀 態。就如同山坡上的皮球在自然狀態下總會往山下滾,直至到達山腳才靜止下來,達到穩定狀態。Foldit的遊戲原則之一,就是需要玩家找尋蛋白質最穩定的 形狀。這個遊戲賦予用戶一系列的控制功能,如「搖動(shake)」、「擺動(wiggle)」、「重建(rebuild)」等,用來調整蛋白質的側鏈和 骨架,以獲得最佳能量構造。用戶能夠以單獨或者集體的形式來進行遊戲,通過改進結構預測方案來獲得積分。

「我玩這個遊戲純粹是覺得好玩,我想知道像我這樣一個生命科學白痴能不能對分子生物學研究做出貢獻。」66歲的玩家邁克爾·卡西迪(Michael Cassidy)對南方週末記者說。他住在紐約布魯克林,退休前從事雜誌出版工作。

他為分子生物學做出貢獻的方式,就是坐在電腦前,發揮他的空間想像能力,用鼠標拖拽那些奇怪的彩色鏈條。卡西迪加入了一個名為虛無之客(Void Crashers)的玩家小組,成為小組中年紀最大的一名玩家,後來還成為了隊長。2011年10月,卡西迪帶領的「虛無之客」出現在《自然》的子刊上, 成為對艾滋病毒成熟和複製具有重要作用的一種逆轉錄蛋白酶分子結構的發現者之一。

這一類酶叫做「逆轉錄病毒蛋白酶M-PMV」,在艾滋病毒的成熟和自我複製過程中起著非常重要的作用。在對抗艾滋病毒的研究過程中,科學家們一直希望能夠抑制或阻斷逆轉錄酶的作用。而長期以來,研究人員一直都沒有確定逆轉錄蛋白酶的分子結構。

「有些人就是能觀察兩分鐘遊戲,然後就得到最高分。他們甚至自己都不知道是如何做到的,但是他們就是能以某種方式做到。」貝克說。

人腦提示電腦

人體中有超過10萬種不同的蛋白質,蛋白質的生物合成在理論上已經為人類所瞭解,但要預測蛋白質的結構,需要的計算量非常之大。

早在2005年,華盛頓大學貝克實驗室開發了一個名為「Rosetta@home」的分佈式計算項目,用於蛋白質結構預測、蛋白質-蛋白質對接和蛋 白質設計的研究。所謂分佈式計算,就是將需要進行大量計算的項目數據分割成多個小塊,散發給多台計算機分別計算,再上傳運算結果並統一合併,最終得出數據 結論。

在全球範圍內,對這個項目感興趣的任何人都可以加入這個計算網絡,成為該項目的志願者。志願者所要做的僅僅是安裝某些特定的程序。當志願者的電腦存在閒置處理能力時,程序會自動利用這些閒置資源進行數據計算。因此,志願者自身並不需要進行手動的計算操作。

但是,計算機在計算過程中會遇到一些無法解決的困難,就好比人類一眼就能識別出網站登錄的驗證碼,而計算機卻做不到。如果完全使用計算機進行運算,可能需要花費幾個世紀。

此時,計算機就需要人類給一點提示。

貝克在肖森的撮合下見到波波維克,他說需要發明讓玩家能夠做出提示的屏保程序。波波維克回答他:「沒人會關心這個的。你要真想讓人參與,你就得把人放在中心位置。」

於是他們一拍即合,開始開發一款全新的網絡遊戲。Foldit依然屬於分佈式計算項目家族,但它需要玩家親自動手參與蛋白質的結構預測和設計。玩家不需要有生物化學知識背景,因為遊戲利用的是人腦天生的空間感知和推理能力。

虛無之客小組來自德國的玩家Madde對M-PMV結構的發現做出了不小的貢獻。「我從2008年5月Foldit上線之後就開始玩這個遊戲,我也 是虛無之客的早期成員之一。」他對南方週末記者說。Madde目前還是德國「Foldit 百科」的主要推動者之一,可他就是一個對生物化學一竅不通的人。卡西迪說:「我們團隊中既有17歲的高中生,也有像我這樣的66歲的退休老人」。

Foldit不僅在「易操作性」方面獲得了較好的玩家體驗,它在科學研究方面也獲得了巨大的成功。在全球數千名玩家的集體參與下,研究人員只花了三個星期就獲得了此前一直困擾他們的逆轉錄蛋白酶的精確分子結構。

還能玩出什麼名堂

研究人員越熟悉蛋白質的摺疊方式,就越有可能設計出更好的蛋白質藥物用於疾病治療。例如對癌症的治療。

癌症與艾滋病不同,它源於身體內部。當身體某些部位的細胞不受控制地發生增殖時,就會引發癌症。在正常情況下,身體中存在一系列限制細胞無限增殖的 蛋白質。但在某些外部因素——如紫外線、香煙中的化學物質等——的刺激下,抑制腫瘤的基因可能受到損害。基因發生了變化,產生的蛋白質也有可能會失去原有 的功能。若能弄明白這些功能蛋白質的結構並設計出類似的具有相應治療功能的蛋白質,那麼就能產生一定的治療效果。此外,Foldit還對阿爾茨海默症等疾 病的治療提供幫助。

在中國也有一群Foldit玩家,他們集中在中國分佈式計算論壇,並組建了自己的團隊「中國隊」(Team China)。但與世界頂級玩家團隊相比,Team China的實力還有明顯差距。

「這(虛無之客)是一個非常強的隊伍,我們能長時間地留住我們的隊員。大家相處非常融洽,我們常常在遊戲中分享各自發現的好的解決問題的方法,幫助 彼此共同進步。」卡西迪很開心地說,「我們的隊伍絕對是一個國際化的隊伍,我們的隊員來自澳大利亞、加拿大、德國、法國、英國還有美國。」

玩家團隊之間雖然不存在直接的「對抗性」競爭,但每個團隊都有自己的得分與總排名。Foldit的官方網站顯示目前排名第一的團隊是「奪冠者」 (Contenders),該團隊共有37位成員,成績為3804分;「虛無之客」排名全球第三,共47位隊員,成績為3313分。「中國隊」共104位 成員,團隊全球排名第44位,成績僅為25分。

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