[Projekt] Rosetta@home

[antu]

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Rosetta@home ist ein Projekt mit dem Ziel, die dreidimensionale Struktur von Proteinen und Proteinkomplexen vorherzusagen und gezielt zu erzeugen. Die Struktur eines Proteins bestimmt sich durch eine Abfolge von Aminosäuren, entlang derer sich das Protein "konstruiert". Man bezeichnet diesen Prozess auch als Proteinfaltung, dabei handelt es sich um eines der ältesten noch offenen Probleme in der Molekularbiologie. Es ist zwar möglich die Struktur von Proteinen experimentell festzustellen, allerdings ist das extrem teuer, und funktioniert auch nicht bei allen Proteinen. Deswegen wird eifrig an rechnerischen Methoden zur Bestimmung der Proteinstruktur geforscht. Die Forscher versprechen sich dadurch, die Funktionsweise von Proteinen besser zu verstehen und außerdem völlig neue Medikamente gegen schwere Krankheiten wie HIV, Malaria, Krebs oder Alzheimer zu finden.

Video über Rosetta@home und Proteine (Englisch):

Rosetta@home​
Ziel	Vorhersage von Proteinstrukturen
Bereich	Biochemie	Status	produktiv
Betreiber	Universität von Washington	Land	Vereinigte Staaten von Amerika
Beginn	16. September 2005	Ende	läuft noch
Betriebssysteme	Windows (32/64 bit), Linux (32/64 bit), OS X (Intel)	Kommerziell?	nein
Projekt-Webseite	Rosetta@home	Projekt-Forum	Rosetta@home Forum
Server-Status	Rosetta@home Server-Status	Benutzerkonto	Konto bei Rosetta@home
Zertifikat	Certificate of Computation	Abzeichen	nein
Arbeitspakete	Rosetta Mini, Rosetta
ngb:setiteam​
Teamseite	ngb:setiteam bei Rosetta@home	Teambeitritt	ngb:setiteam beitreten
Team-Statistik	BOINCstats	Mitgliederliste	BOINCstats, Bakerlab

Die Forschung

Proteine sind aus Aminosäuren (chemische Grundbausteine) aufgebaute Moleküle, die im menschlichen Körper viele wichtige Funktionen erfüllen. Die Struktur bzw. die Form eines Proteins bestimmt sich durch die Reihenfolge der enthaltenen Aminosäuren. Die Reihenfolge der Aminosäuren, also der "Bauplan" des Proteins, ist in einem Gen gespeichert.

Welche Funktion genau ein Protein im menschlichen Körper erfüllt wird durch seine Form bestimmt. Ein Beispiel: Ein Protein das Zucker spaltet, um einer Körperzelle die im Zucker gespeicherte Energie zu liefern, ist so geformt, dass es sich an den Zucker andocken kann (wie ein Schlüssel und ein Schloss). Sobald ein Zuckermolekül an das Protein angedockt ist, wird eine chemische Reaktion gestartet die den Zucker aufspaltet und der Zelle neue Energie liefert.

Die Struktur/Form eines Proteins lässt sich entweder durch Kristallstrukturanalyse oder Kernspinresonanz bestimmen. Diese Methoden sind aber sehr aufwendig, oft dauert es Wochen/Monate um ein einzelnes Protein zu analysieren, hinzu kommen hohe Kosten von bis zu 70.000 € pro Protein. Außerdem sind diese Methoden fehleranfällig und funktionieren nicht bei allen Proteinen. Deswegen ist von den über 35 Millionen verschiedenen Proteinen die bisher entdeckt wurden, nur von weniger als 100.000 die Struktur bekannt.

Daher suchen Forscher nach Algorithmen, mithilfe derer sich die Struktur eines Proteins rechnerisch aus der Reihenfolge der Aminosäuren (dem "Bauplan") errechnen lässt. Dabei machen sie sich zu nutze, dass Proteine in der Natur immer die Form annehmen, die den niedrigsten Energieaufwand hat. Das Problem dabei ist, dass die Anzahl der möglichen Formen die ein Protein annehmen kann, exponentiell mit der Anzahl der enthaltenen Aminosäuren steigt. Proteine im menschlichen Körper bestehen aus hunderten bis tausenden von Aminosäuren, dadurch gibt es viel zu viele Möglichkeiten um sie alle durch zu probieren.

Die Forscher haben daher Methoden entwickelt um den Suchraum stark einzuschränken. Diese Methoden basieren auf dem Wissen über die chemischen und physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Aminosäuren und Kenntnissen darüber wie Aminosäuren sich üblicherweise anordnen.

Trotzdem müssen viele verschiedene Strukturen durchprobiert werden, bis die mit dem niedrigsten Energieaufwand gefunden ist. Und genau das macht Rosetta@home, es probiert viele verschiedene Strukturen aus, und die Struktur mit dem niedrigsten Energieaufwand ist dann die tatsächliche Struktur des Proteins, oder zumindest sehr nah dran. Dabei werden die Methoden zur Vorhersage der Struktur von den Forschern immer weiter verbessert, mit dem Ziel, irgendwann die Struktur von Proteinen schnell und exakt vorhersagen zu können. Wenn dieses Ziel erreicht ist, kann aus der errechneten Struktur auch auf die Funktion des Proteins geschlossen werden.

Damit wäre es dann auch möglich künstliche Proteine mit bestimmten Funktionen herzustellen, das bezeichnet man auch als "Proteindesign". Damit ließen sich bessere Medikamente/Impfstoffe herstellen und möglicherweise auch Heilmittel für Krankheiten wie HIV, Krebs oder Alzheimer finden.

Die Forschung von Rosetta@home ist ziemlich erfolgreich. Beim letzten CASP-Wettbewerb (dabei werden verschiedene Methoden zur Proteinstrukturvorhersage verglichen) hat das Rosetta@home-Team ziemlich gut abgeschnitten.

Informationen über Rosetta@home und Proteine:

Wer gerne mehr erfahren möchte über das Projekt und die Forschung rund um Proteine/Proteinfaltung, findet hier ein paar Links.

• Wikipedia-Seite zu Rosetta@home
• Was ist Rosetta@home und welchen Zweck haben die Vorhersagen von Proteinen und Proteinkomplexen?
• Das Problem der Proteinfaltung
• Wie Rosetta@home dabei hilft Krebs, Alzheimer, HIV und andere Krankheiten zu heilen.
• Oft gestellte Fragen über Rosetta@home.
• Video über Proteine und Proteinforschung in München (Deutsch)
• Tagebuch von David Baker über Rosetta@home
• Nachrichten und Artikel rund um Rosetta@home (Englisch)
• Wissenschaftliche Publikationen/Ergebnisse der Rosetta@home-Forschung
• Rosetta@home Twitter

Statistik

Stand: 15.09.2020

Mitglieder	60 (29 aktiv)
Platzierung (nach Punkten, weltweit)	146
Platzierung (nach aktuellen Ø Punkten, weltweit)	32
Platzierung (nach Punkten, Deutschland)	6
Platzierung (nach aktuellen Ø Punkten, Deutschland)	3

Meilensteine

• Am 15.01.2014 haben wir Platz 100 in Deutschland erreicht.
• Am 29.01.2014 haben wir Platz 75 in Deutschland erreicht.

Wettbewerbe

Unser Team nimmt natürlich regelmäßig an Wettbewerben teil, um uns mit den anderen Teams zu messen.

• "Despite my age I don't live in the past, but in the future" 1st Rita Levi-Montalcini memorial: 15. Platz, 250.544 Punkte, 5 Teilnehmer.
• Bettina von Arnim Birthday-Challenge vom 04.04 - 06.04.2014: Platz 3/23, 645.789 Punkte.
• Florence Nightingale – Race: Platz 10/13, 1.782.321 Punkte.

Tipps/Hinweise

1. Rechenzeit von Arbeitspaketen einstellen
   Bei Rosetta@home gibt es eine Besonderheit, was die Berechnungsdauer eines Arbeitspakets angeht. Die Dauer lässt sich nämlich in den Projekt-Einstellungen festlegen, Rosetta@home schickt einem dann Arbeitspakete die ungefähr so lange zur Berechnung brauchen wie man es eingestellt hat. Das ist praktisch, wenn man Rechner nur sporadisch/kurz laufen lässt (kurze Arbeitspakete) oder wenn man z.B. weiß das der Rechner sowieso 24/7 läuft (lange Arbeitspakete).
2. Was tun, wenn Show Graphics keine 3D-Grafiken/Daten anzeigt? (Linux)

Ich dachte mir wir können dieses Thema nutzen um Tipps/Neuigkeiten rund um das Projekt zu sammeln/diskutieren, etc.

Änderungsprotokoll:

Spoiler

09.01.2014: "1st Rita Levi-Montalcini memorial" Wettbewerb hinzugefügt.
11.01.2014: Tabelle oben eingefügt. Kleine Umstrukturierungen. Beschreibung der Forschung von Rosetta@home hinzugefügt.
15.01.2014: Erster Meilenstein: Platz 100 in Deutschland!
29.01.2014: Bettina von Arnim Wettbewerb hinzugefügt, Platz 75 in Deutschland.
15.09.2020: Tabelle aktualisiert und Florence-Nightingale Wettbewerb hinzugefügt.
20.09.2020: Tipps/Hinweise aktualisiert.

 

[Annika]

Rosetta ist eins meiner Lieblings-Projekte (und geht ziemlich gut auf meiner CPU, obwohl die schon was älter ist). Für Wettbewerbe o. ä. werde ich mich da wohl auch beteiligen; den Rechner ständig durchlaufen zu haben ist mir ansonsten zu laut und zu teuer.

 

[Diesel_]

Hallo Annika

Das is ja Klasse und vielleicht auch eine Initialzündung für weitere Wettbewerbsteilnehmer

 

[bebe]

@ antu, das ist klasse das du da infos zusammengeschrieben hast!
@ Annika, das freut mich zu hören das wir eine/n weitere /n Mitstreiter haben!
Zum Team geht hier lang: http://boinc.bakerlab.org/team_display.php?teamid=12198

bebe

 

[bebe]

Ich hab hier mal die Beiträge in den Laberthread verschoben. Damit es hier übersichtlicher bleibt.

bebe

 

[antu]

Ich habe mal das wichtigste in einer Tabelle gesammelt und noch dazu geschrieben worum es bei der Forschung von Rosetta@home genau geht.

Platz 100 hat zur Zeit 506.633 Punkte, wir 468.994. Bei ca. 7.000 Punkten am Tag sind wir in 5-6 Tagen unter den Top 100 (die Teams direkt vor uns sind entweder inaktiv oder machen viel weniger Punkte als wir).

 

[antu]

Soeben haben wir mit 511.800 Punkten Platz 100 in Deutschland erreicht (weltweit sind wir auf Platz 1.532). Zur Zeit machen wir durchschnittlich 11.745 Punkte am Tag, womit wir auf Platz 7 in Deutschland liegen (weltweit auf Platz 98).



Glückwunsch und Danke an alle Teilnehmer!

 

[Schollator]

Hmm, ich hatte ja eigentlich gedacht, dass meine bisherigen Punkte in die Teamwertung übernommen werden, aber da hab ich mich wohl zu früh gefreut...

 

[bebe]

Leider nicht, erst mit dem Beitritt ins Team kommen deine täglichen Credits in die Teamwertung rein.

bebe

 

[antu]

Heute haben wir mit 776.874 Punkten Platz 75 überholt und sind zur Zeit auf Platz 74 in Deutschland (Platz 1180 weltweit)! Mit CarbonSurfer haben wir einen Cruncher hinzugewonnen, so dass unser Team jetzt 10 Mitglieder hat. Zur Zeit errechnen wir 23.312 Punkte am Tag, womit wir in ca. 1 Monat auf Platz 50 sein dürften.



Team:



Außerdem veranstaltet unser Team vom 04.04. - 06.04.2014 den Bettina von Arnim Geburtstagswettbewerb. Nicht verpassen!

 

[antu]

Die Projekt-Webseite und der BOINC-Server sind im Moment nicht erreichbar. Ich habe keine Informationen darüber gefunden warum/wann die Server wieder online sind.

Zum Glück hat sich mein BOINC-Client vorher noch mit genügend WUs eingedeckt.

Nachtrag: Es gibt zur Zeit Wartungsarbeiten. Spätestens um 15:00 PST (24:00 deutsche Zeit, also in ca. 4 Stunden) soll wieder alles funktionieren.

Jan 29, 2014
We will be moving the hardware that supports Rosetta@Home on Tuesday, Feb 4th within the datacenter here at the UW. This will require that the entire project be taken offline for the duration. While we will try to minimize the down-time, we are planning for the system being offline from 0800 PST until 1500 PST on the fourth. -KEL & DOVA

 

[antu]

Jetzt hab ich es doch verpasst.

Am 1. April haben wir mit 1.473.676 Punkten den 50. Platz in Deutschland erreicht (Platz 790 weltweit). Darüber hinaus hat unser Team im März 4 neue Cruncher hinzugewonnen: tophirsch, Asseon, Annika und Malte, der aus dem Team Electronic Sports League (ESL) zu uns gewechselt ist. Damit haben wir jetzt 14 Mitglieder!







Inzwischen sind wir sogar auf Platz 44, vor allem weil unser Team fleissig für den Bettina von Arnim Geburtstagswettbewerb cruncht, der noch bis zum 6. April läuft. Es ist noch nicht zu spät mitzumachen!

 

[theSplit]

Ich habe mich schon seit einiger Zeit an das Projekt angeschlossen, es läuft auf niederer Priorität als Seti - aber rechnet fleißig.

Ich finds gut etwas dazu beisteuern zu können, wobei es bei Seti nur ausschließlich um Lebensformen aus dem All geht.... mal etwas, im Gegensatz, für die Probleme und Lösungen dazu zu finden, was die Menschen um uns rum beschäftigt.

Und was macht man auch sonst? - Die meiste Zeit schreibt oder ließt man etwas, warum auch nicht den Rechner für etwas laufen lassen, das uns allen helfen kann.

Seti tut das vielleicht auch, aber manche Probleme sind halt etwas andere. Ich rechne fleißig für das Projekt, vielleicht kommt es auch mal mir selbst zu Gute... man weiß ja nicht wie genau die Anwendung etwas bahnbrechendes herbeiführt was auf mehreren Ebenen greift.

So far, yours...

 

[antu]

Ich hab den ersten Post mal aktualisiert, der war noch auf dem Stand von 2014. Ich war vielleicht eine Zeit lang ein bisschen inaktiv hier im Forum, aber jetzt bin ich ja wieder da. BOINC läuft bei mir immer noch gelegentlich, in letzter Zeit wieder öfter, aber mit meiner CPU reiße ich bei R@h nicht mehr viel. Aber mal schauen, ich hole mir bald einen neuen Rechner, vielleicht schaffe ich es ja mir meinen 3. Platz zurückzuerobern.

Hier hat sich jedenfalls einiges getan in den letzten Jahren, 60 Mitglieder bei R@h und fast die Hälfte davon aktiv, und in 10 Tagen auf Platz 5 unter den deutschen Teams, nicht schlecht!

 

[antu]

Was tun, wenn Show Graphics keine 3D-Grafiken/Daten anzeigt? (Linux)

Ich hatte das Problem, dass ich wenn ich im BOINC Manager auf Show Graphics geklickt habe, sich nur ein Fenster ohne Grafiken und ohne Daten geöffnet hat:

Das lag daran, dass mein Benutzer nicht in der boinc Gruppe war, und daher vermutlich nicht auf die Rosetta@home-Daten im BOINC-Verzeichnis zugreifen konnte. Das lässt sich beheben mittels:
[src=bash]sudo usermod -a -G boinc <username>[/src]
Danach muss man sich einmal aus der grafischen Oberfläche abmelden und wieder anmelden, dann sollte es funktionieren:

 

[bebe]

Frisst das nicht Rechenkraft? War damals bei Seti@Home auch so, gut da waren die CPUs deutlich schwächer, aber ein paar Prozent werden es heute auch noch sein.

 

[antu]

Ich hab gerade mal nachgesehen und da läuft jetzt ein rosetta_graphics_4.20_x86_64-pc-linux-gnu Prozess und nutzt im Schnitt so 1,25% der Gesamt-CPU-Leistung von meinem Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1240 v3 @ 3.40GHz bzw. 5-15% von einem HT-Kern. Auf neueren CPUs wahrscheinlich eher <1%. Aber wenn man jedes letzte bisschen Leistung rausholen möchte sollte man die Grafiken besser nicht dauerhaft anzeigen.

 

[EinsDurchNull]

Die Grafiken sind besonders dann hilfreich, wenn man Leute für das Projekt gewinnen möchte. Ich muss gleichzeitig zugeben, dass mir genau das bisher trotzdem nicht gelungen ist.

 

[antu]

Mit den Grafiken kann vielleicht auch nicht jeder etwas anfangen. Vielleicht hilft es wenn du den Leuten erklärst wie man mit R@h die Forschung unterstützt, was für Erfolge es da bereits gab und was für Möglichkeiten die Forscher noch für die Zukunft sehen.

Ich hab vor ein paar Tagen dazu diesen Artikel gelesen: Scientists Advance on One of Technology’s Holy Grails

Darin erklärt der Autor erstmal was Proteine sind, wie sie in unserem Körper entstehen und das Biochemiker heute schon in der Lage sind mithilfe von natürlich vorkommenden Proteinen die man weiterentwickelt hat Krankheiten zu heilen, Biokraftstoffe herzustellen oder die Nahrungsmittelversorgung zu verbessern. Außerdem, dass es Forscher gibt die an Designer-Proteinen arbeiten um damit verschiedenste Probleme zu lösen. Es wird erklärt warum es so schwierig ist aus dem Bauplan eines Proteins seine Form zu berechnen und wie die Rosetta-Software funktioniert und wie sie entwickelt wurde. Dann geht er auch auf aktuelle Forschung ein:

• Wie Forscher mit der Rosetta-Software Proteine entwickelt haben, die sich an einer bestimmten Stelle des SARS-CoV-19 Virus festbinden können und ihn damit unschädlich machen. Danach mussten sie die Proteine aber aufwendig herstellen und im Labor testen um herauszufinden welche davon am besten geeignet sind, sie hoffen darauf das die Software dabei in Zukunft helfen bzw. Arbeitsschritte einsparen kann.
• Ein ähnliches Protein wurde auch gegen den Influenza-Virus entwickelt, die Forschungsergebnisse wurden 2017 veröffentlicht.
• Gegen Krebs wurde ein neues Medikament names Neo-2/15 entwickelt was dieses Jahr getestet werden soll.
• Um Medikamente besser durch den Körper zu transportieren oder um Impfstoffe zu verstärken wurde ein Ikosaeder aus Proteinen entwickelt. Damit wurde ein neuer Impfstoff entwickelt, der in Tierversuchen 10x stärker gewirkt hat als bei einem herkömmlichen Impfstoff. Es wurden auch bereits Tests an Mäusen gemacht um diese Ikosaeder-Proteine für Impfstoffe gegen Influenza und SARS-CoV-19 zu nutzen, zumindest bei Mäusen hat die Verstärkung der Wirkung ebenfalls funktioniert.
• Sie haben Proteine entwickelt die sich wie Bienenwaben anordnen und für Wasser/Luftfilter genutzt werden können. Mit dieser Technik könnte man in Zukunft möglicherweise auch umweltfreundlichen Zement oder Materialien für Solarzellen herstellen.
• Algorithmen namens PROSS und FuncLib wurden benutzt um ein Gegengift für Nervenkampfstoffe zu verstärken oder einen Malaria-Impfstoff haltbarer zu machen.
• Roboterarme aus Proteinen und sogar Logikgatter (AND, NOR, NOT) aus Proteinen. Die könnten laut dem Artikel in der Krebsforschung nützlich sein.

Am Ende wird auch beschrieben wie Rosetta@home und Foldit bei der Forschung und Weiterentwicklung der Software helfen.

Alles in Allem gibt der Artikel denke ich einen guten Überblick über das Thema, vielleicht ist da ja was dabei was potentielle neue Cruncher auch interessiert. Und natürlich auch die, die schon dabei sind.

Wer keine Lust hat so viel zu lesen, das Institute for Protein Design hat vor kurzem ein Video auf YouTube hochgeladen in dem Professor David Baker erklärt wie R@h bei der Forschung zum Coronavirus hilft und sich bei uns Crunchern für unsere Mithilfe bedankt.

Coronavirus Research Update from Rosetta@Home

 

[EinsDurchNull]

@antu, Danke für diese hervorragende (und ganz sicher auch zeitraubende) Zusammenfassung. Insbesondere den New Yorker- Artikel werde ich mir in Ruhe durchlesen.

/edit: Jetzt sind wir auf Platz 5
Das kühlere Wetter hilft (zumindest mir, ich habe ja keinen Platz für einen Maschinenraum).