www.matematikk.org

Bittesmå ting, gigantiske beregninger

Menneskekroppen er bygd opp av titusener av milliarder av celler, som alle inneholder proteiner. Proteinene er "arbeidshestene" i cellene. De fungerer blant annet som byggemateriale, de frakter oksygen og næring, sørger for at cellene utveksler informasjon og beskytter mot sykdommer.

Du har kanskje hørt om "proteinkjendiser" som enzymer, veksthormoner, hemoglobin (som hjelper til med å frakte oksygen rundt i blodet) og insulin (som regulerer nivået av sukker i blodet). Men det store flertallet av de 100 000 proteinene i kroppen er fullstendig ukjente for alle som ikke er biokjemikere, uten at de er mindre viktige av den grunn.

Alle proteiner er satt sammen av ulike kombinasjoner av 20 små molekyler som kalles aminosyrer. Aminosyrer består av atomene karbon, oksygen, nitrogen, svovel og hydrogen, og kan koble seg sammen som perler på en snor og bli proteiner. Enkelte proteiner består av flere hundre aminosyrer på rekke og rad.

Rekkefølgen avgjør den kjemiske sammensetningen på proteinet, men det i seg selv er ikke nok til at proteinet skal kunne gjøre jobben sin. I tillegg må de lange kjedene av aminosyrer også ha en tredimensjonal form i rommet. Når et protein dannes i kroppen, må det altså først settes sammen av aminosyrer, og deretter bøye eller folde seg til en viss form.

Foldete proteinerFoldete proteiner

Foldingen er helt avgjørende for proteinets funksjon. Ofte vil proteiner binde seg til andre molekyler ved at de passer som en nøkkel i en lås, og hvis ikke formen er riktig, kan ikke proteinet gjøre jobben sin. Helt siden 1960-tallet, da biokjemikere skjønte hvor viktig foldingen var, har de forsøkt å finne ut hvordan proteinet "vet" hvordan det skal folde seg?

I 1969 beregnet en av pionerene på området, Cyrus Levinthal, at et protein som var bygd opp av 100 aminosyrer kunne folde seg på minst 10^30 ulike måter. Hvis man tenker seg at et protein folder seg og "prøver ut" 100 milliarder ulike former per sekund, ville det bruke 100 milliarder år på å gå gjennom alle tenkelige muligheter. Siden foldingen skjer på noen milliontedels sekunder i virkeligheten, er det åpenbart noe annet på ferde. Nøyaktig hva det er, vet foreløpig ingen.

Det man vet idag, er at det må være krefter mellom de ulike aminosyrene i et protein og at kreftene bestemmer hvordan proteinet folder seg. Det finnes matematiske ligninger som beskriver disse kreftene, og ligningene i seg selv er ikke veldig kompliserte. Men beregningene blir likevel svært kompliserte når man skal regne ut hvordan dusinvis eller hundrevis av aminosyrer påvirker hverandre etterhvert som proteinet folder seg.

Proteinfolding har faktisk vist seg å bli et av de mest beregningstunge områdene i dagens vitenskapen. En rask datamaskin bruker rundt én dag på å simulere et milliarddels sekund av foldingsprosessen til et protein. Foldingsprosessen kan ta noen hundretusendels sekunder, og det innebærer at datamaskinen ville bruke 30-40 år på å simulere foldingen til dette ene proteinet!

Mangel på regnekraft er et hovedproblem for dem som forsker på folding, og det har man forsøkt å løse i prosjektet "Folding@home". Her kan du installere et program som henter informasjon på nettet og kjører proteinfoldingsberegninger istedenfor en skjermsparer, når du ikke bruker maskinen din. Resultatet er at hundretusenvis av datamaskiner jobber med proteinfolding til enhver tid, noe som har ført til at man har klart å simulere foldingen til en rekke små proteiner.

Skjermbildet av programmet Folding@homeSkjermbildet av programmet Folding@home

Proteinfolding kan høres ut som et litt obskurt vitenskapelig emne som først og fremst interesserer matematikere og biologer, men i virkeligheten angår det oss alle. Siden folding bestemmer hvordan proteiner fungerer, kan "misfolding" av proteiner føre til alvorlige sykdommer. Blant proteinene som nå undersøkes av Folding@home-prosjektet, er flere forbundet med Alzheimers sykdom, kugalskap og Huntingtons sykdom.

Publisert: 06.08.2009 Endret: 24.03.2014

Skrevet av

Eirik Newth
Eirik Newth

Eksterne lenker