Internet und ForschungDie Nacht-Falter

Computerspieler helfen Forschern, komplexe Probleme zu lösen. von 

Wenn David Baker einem Gast seine Erfindung präsentiert, ist nicht ganz klar, wo das Chaos größer ist: auf und rund um den Schreibtisch seines winzigen Büros an der University of Washington in Seattle oder auf dem großen Flachbildschirm zwischen all den gefährlich geneigten Papierstapeln. Dort dreht sich ein wirres Knäuel aus unterschiedlich dicken Röhrchen, Spiralen und Fäden. Der junge Molekularbiologe trägt Strubbelhaar, Dreitagebart und Schlabber-Sweatshirt. Doch auch wenn es seinem Arbeitsplatz an visueller Komplexität ebenbürtig ist – was Baker hoch konzentriert mit flinken Fingern über den Bildschirm tanzen lässt, ist ein blitzsauber programmiertes und inzwischen ziemlich beliebtes Computerspiel. Eines, das der Wissenschaft dient.

Das verwickelte Knäuel ist kein Fantasiegebilde, sondern das Abbild eines echten Proteins. Um seine Aufgabe und Wirkung in einer lebenden Zelle zu verstehen, reicht es nicht aus, die Abfolge der zu einer langen Perlenkette aufgereihten Aminosäuren zu kennen, aus denen jedes Eiweiß besteht. Entscheidend ist, zu welcher räumlichen Gestalt sie sich zusammenlegt. Fachleute sprechen von Proteinfaltung (ZEIT Nr. 38/09), daher der Name des Computerspiels: Foldit – falte es . In der Natur suchen sich Proteine – wenn alles gut geht – den kompaktesten, energetisch günstigsten und damit stabilsten Zustand. Nur in dieser Form können sie ihre vielfältigen Aufgaben in den Zellen des Körpers erfüllen. Falsch gefaltete Proteine sind ein Zeichen für krankhafte Veränderungen. Um sie zu finden, müssen Forscher die richtige Faltung kennen.

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Das klingt einfach. Doch es ist einer der komplexesten Vorgänge in der Zellbiologie. Zwar diktiert letztlich die Abfolge der Aminosäuren in der Eiweißkette, welche räumliche Form das Molekül in der Zelle ausbildet. Aber obwohl die Aminosäuresequenz praktisch aller Proteine ebenso bekannt ist wie die Mechanik der Proteinfaltung, können Wissenschaftler mit dieser Information die tatsächliche Gestalt von Eiweißen nur sehr grob vorhersagen. Denn selbst kleine Eiweiße haben mehr als eintausend Gelenkstellen. Daraus ergeben sich Milliarden Faltmöglichkeiten. Auch Computer, die sie mit sturer Rechenkraft nacheinander ausprobieren, benötigen Tage und nähern sich dem besten Ergebnis am Ende doch nur an.

Gute Foldit-Spieler dagegen erkennen oft schnell, ob ein Zwischenschritt bei der Faltung in die Sackgasse führt oder vielversprechende Möglichkeiten öffnet. »Wir Menschen haben ein besonders gut ausgeprägtes räumliches Vorstellungsvermögen«, sagt David Baker, »wir gucken uns das an und sagen: Aha, da ist ein Loch, und dieser Abschnitt könnte genau hineinpassen. Computer sehen das nicht.«

Die Proteinfaltung ist ein besonders geeignetes Problem für sogenannte Serious Games, Digitalspiele mit ernsthaftem Nutzen , auch Gwaps genannt (games with a purpose). Weltweit verbringen Millionen Computerspieler viele Milliarden Stunden konzentriert vor ihren Bildschirmen. Allein das Online-Fantasy-Spiel World of Warcraft zählt über zwölf Millionen Nutzer. »Diese Energie wollen wir für die Forschung nutzen«, sagt Baker. Wie das bei Foldit funktioniert, hat er für das Fachblatt Nature aufgeschrieben – und als Autoren alle 57.000 Spieler genannt. Brauchbare Proteinfaltungen hatten zwar nur die 500 besten geliefert, doch wer das Talent zum Foldit-Champion hat, lässt sich kaum vorhersagen. Einen klaren Zusammenhang mit Schulbildung, Beruf, Alter oder Geschlecht gibt es nicht. »Das Spiel muss deshalb für möglichst viele verständlich und motivierend sein«, sagt Baker.

Die bunte Bildschirmdarstellung in Foldit hat er zusammen mit seinem Kollegen, dem Informatiker und Spieleentwickler Zoran Popovic entworfen, den Wettbewerbscharakter mit Ranglisten für Einzelspieler und Teams aus anderen Computerspielen übernommen. Mit Maus und Verstand müssen die Foldit-Spieler das wirre Knäuel auf dem Bildschirm so umformen, dass ein möglichst kompaktes Gebilde daraus entsteht. Jeder kleine Erfolg wird unmittelbar als steigender Punktestand angezeigt. Diese direkte Rückmeldung ist wichtig. Die Spieler schärfen damit ihre Intuition für die richtige Faltung. Auf biologische Grundlagenkenntnisse können sie schließlich nicht zurück greifen. Beruflich haben zwei Drittel der erfolgreichsten Foldit-Spieler nie etwas mit dem Fach zu tun gehabt.

Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass sie mit ganz unterschiedlichen Strategien ans Ziel kommen. Einige Spieler spezialisieren sich auf bestimmte Aspekte der Faltung. Teams sind deshalb erfolgreicher als Einzelspieler. Gemeinsam ist ihnen, dass sie – wie gute Schachspieler – bereit sind, kurzfristige Nachteile in Kauf zu nehmen, wenn sie ahnen, dass der eingeschlagene Weg am Ende zum Erfolg führt. Über derartige Intuition verfügen Computerprogramme nicht. Deshalb verlassen sie einen zunächst erfolglos erscheinenden Weg schnell. Deutlich überlegen sind sie den Menschen jedoch, wenn es darum geht, völlig unstrukturierte Proteininformationen für die sinnvolle Weiterbearbeitung vorzubereiten. Menschen wiederum erkennen unter einer großen Anzahl verschiedener Ausgangsvarianten schneller die erfolgversprechendste. »Foldit-Spieler können Computer nicht ersetzen«, sagt Baker, »der Trick ist, dafür zu sorgen, dass Mensch und Maschine sich mit ihren jeweiligen Stärken möglichst gut ergänzen.« Geballte Rechnerkraft bereitet die Aufgaben vor, die Umformung im Raum übernehmen die Menschen, den letzten Feinschliff erledigen wiederum Computer. Das Spiel ist so konstruiert, dass beide Seiten voneinander lernen.

Für diese Symbiose aus intuitiver Rechenkunst des Gehirns und Kalkulationsmacht von Computern hat der in Guatemala geborene Informatiker Luis von Ahn von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh den Begriff »Human Computation« geprägt. Für seine Promotion hatte er ein Spiel erdacht, bei dem zwei im Internet zufällig zusammengebrachten Personen das gleiche Bild gezeigt wird. Ohne direkt miteinander kommunizieren zu können, tippen sie möglichst schnell Begriffe, die zu dem Bild passen, in ein Eingabefeld. Sobald beide Partner den gleichen Begriff gewählt haben, bekommen sie Punkte.

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