Virtuelle Realität erlaubt Einblicke in Zellen in Echtzeit

Gehört es für Forscher und Studenten bald zum Alltag, mit virtueller Realität in der Zellumgebung spazieren zu gehen? Australische Wissenschaftler haben am 30. Juni eine Studie veröffentlicht, die sich mit der dreidimensionalen Darstellung von Zellen und ihrer Umgebung beschäftigt. Um die wissenschaftlichen Daten in einer virtuellen Realität präsentieren zu können, haben Computerkünstler, Experten für Computergrafik und Zellbiologen eng zusammengearbeitet. Das Ergebnis ist ein neues Tool namens Nanoscape.

Besseres Verständnis der Komplexität zellulärer Prozesse

Das Tool Nanoscape wurde speziell für die Forschung und die Lehre entwickelt. Benutzer können damit in der virtuellen Realität in Zellen und ihre Umgebung eindringen und dort direkt mit ihnen interagieren. Die australischen Forscher sind davon überzeugt, dass Nanoscape mühelos und schnell ein besseres Verständnis für die komplexen Prozesse auf der Ebene der Zellen ermöglicht.

Die Erfindung des Mikroskops im 16. Jahrhundert erlaubte es, eine den bloßen Augen verborgene Welt zu erforschen. Moderne bildgebende Verfahren waren von zentraler Bedeutung, um die Feinheiten der Zell-Landschaft auf molekularer Ebene zu entschlüsseln. Röntgenkristallographie, NMR-Spektroskopie und Kryo-Elektronenmikroskopie erreichen atomare oder nahezu atomare Auflösung einzelner Proteine ​​und Zellarchitekturen.

Live-Cell-Imaging ermöglicht die Beobachtung zellulärer Strukturen, Prozesse und Verhaltensweisen in Echtzeit. Darüber hinaus hat die Verwendung von verbesserten fluoreszierenden Tags und Biosensoren Erkenntnisse in der Proteinkinetik, Wechselwirkungen und Diffusion ans Tageslicht gebracht.

Die dreidimensionale (3D) Visualisierung wissenschaftlicher Konzepte und experimenteller Daten ist heutzutage ein beliebtes Werkzeug, um Einblicke in diese komplexen Prozesse darzustellen. Zweidimensionale Illustrationen und beschreibender Text schaffen dies nur unzureichend.

Allerdings reicht kein einzelnes Verfahren aus, um die Struktur und Dynamik makromolekularer Anordnungen und zellulärer Prozesse abzubilden. Mehrere, sich ergänzende Techniken und verschiedene wissenschaftliche Disziplinen sind dafür nötig. Zudem steckt die digitale biomedizinische Visualisierung noch in den Kinderschuhen. Bedenklich ist nach Auskunft der Studienautoren, dass Benutzer meist nicht wissen, welche Daten für die Visualisierungen genutzt werden.

Biomedizinische Animatoren verwenden häufig 3D-Computeranimations- und Modellierungssoftware, die in der Spiele- und Unterhaltungsbranche beliebt sind. Die wahre Komplexität der zellulären Umgebung wird dabei oft absichtlich verringert, um bestimmte Merkmale und Mechanismen zu verdeutlichen oder hervorzuheben. Zudem beeinflussen häufig technische Beschränkungen die Darstellung.

In den vergangenen Jahrzehnten haben jedoch Visualisierungssoftwaretools und genau skalierte, statische Rekonstruktionen auf molekularer Ebene zugenommen. Beispiele sind das HIV-1-Virus und Mycoplasma mycoides, erstellt mit dem Packalgorithmus CellPACK, sowie eine Momentaufnahme eines synaptischen Boutons.

Diese präsynaptische Endigung ist maßgeblich an der Informationsübertragung zwischen Nervenzellen beteiligt. Die Integration einer Vielzahl von bildgebenden Verfahren, quantitativem Immunblotting und Massenspektrometrie ermöglichten die Momentaufnahme eines synaptischen Boutons.

Darüber hinaus sind mathematische und computergestützte Modellierungsplattformen wie V-Zell, M-Zelle und E-Zelle für die Verwendung durch experimentelle Biologen und theoretische Biophysiker entstanden. Diese Plattformen können Simulationen zellbiologischer Phänomene durchführen. Wissenschaftler können mit diesen 3D-Darstellungen ihre Rohdaten analysieren und Hypothesen testen.

Viele der bisher existierenden Techniken repräsentieren jedoch zelluläre Umgebungen nicht vollständig. Bisher fehlte meist die Finanzierung, um die notwendige Komplexität darzustellen.

Mit Nanoscape veröffentlichen die australischen Forscher nun eine Weiterentwicklung ihres Projekts Journey to the Center of the Cell (Reise zum Mittelpunkt der Zelle), das 2018 publiziert wurde. Das Vorgängerprojekt zeigte eine ganze Zelle in virtueller Realität, die mit Bilddaten von Rasterelektronenmikroskopen mit Blockflächen erzeugt wurde. Die Darstellung der Zelloberflächenumgebung musste dabei stark vereinfacht werden.

Nanoscape ist das Folgeprojekt, für das Computerkünstler, Experten für Computergrafik und Zellbiologen eng zusammengearbeitet haben. Es bietet zum ersten Mal eine detailgetreue interaktive Open-World-Erfahrung in Echtzeit, die den Benutzer durch eine Tumormikroumgebung navigieren lässt.

Quelle:

Kadir SR, Lilja A, Gunn N, Strong C, Hughes RT, Bailey BJ, Rae J, Parton RG, McGhee J. Nanoscape, a data-driven 3D real-time interactive virtual cell environment. Elife. 2021 Jun 30;10:e64047. doi: 10.7554/eLife.64047. PMID: 34191720. (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34191720/)

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Kornelia ist ausgebildete Redakteurin, Buchautorin und freie Texterin. Ihre Erfahrung mit Ess-Störungen hat sie in drei Kochbüchern beschrieben, die alle den Gourmand World Cookbook Awards von Edouard Cointreau gewonnen haben. Ihr Buch Cooking for Happiness hat sogar den Titel ‘Best in the World’ in der Kategorie Innovativ erhalten. Neben Ernährung faszinieren sie vor allem Themen im Bereich Gesundheit. Ihr umfangreiches Wissen in diesen Gebieten stellt sie leicht verständlich dar. Besonders liegt ihr eine ganzheitliche Sicht der menschlichen Existenz im Allgemeinen und Körperfunktionen im Besonderen am Herzen.

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