Wissenschaftler erstellen 3D-Zellmodelle in Minecraft für Bildungs- und Forschungszwecke
Forscher haben experimentelle und rechnerische Daten im Nanobereich in präzise 3D-Darstellungen von Bakterien, Hefen und menschlichen Epithel-, Brust- und Brustkrebszellen im beliebten Videospiel Minecraft übersetzt. Diese Innovation ermöglicht es Forschern und Studenten aller Altersgruppen, durch biologische Zellen zu navigieren, ihre inneren Strukturen zu erkunden und die Verteilung verschiedener Komponenten innerhalb der Zelle zu beobachten.
"CraftCells: A Window into Biological Cells" ist das erste allgemein zugängliche Werkzeug, das Benutzern eine genaue 3D-Darstellung ganzer Zellen bietet, so Zaida (Zan) Luthey-Schulten, Professorin für Chemie und Physik an der University of Illinois Urbana-Champaign, die das Projekt leitete. Das Team, zu dem auch die Bioengineering-Professoren Stephen Boppart und Rohit Bhargava von Illinois, der Doktorand Kevin Tan, die Postdoktoranden Zane Thornburg und Seth Kenkel sowie der Hauptautor Tianyu Wu, ein Doktorand für Biophysik, gehören, veröffentlichte seine Ergebnisse im Journal The Biophysicist.
Luthey-Schulten betonte die Bedeutung des Übergangs von 2D-Bildern in Lehrbüchern zur Untersuchung der 3D-Organisation von Zellen. Während komplexere 3D-Visualisierungen molekularer Daten einigen Wissenschaftlern über Programme wie NAMD und VMD zugänglich sind, erfordern diese eine erhebliche Rechenleistung, was ihre Zugänglichkeit einschränkt. CraftCells hingegen bietet eine benutzerfreundliche und leicht zugängliche Plattform für die 3D-Visualisierung.
Das Team nutzte Daten der hochauflösenden Mikroskopie, um seine Zellmodelle zu erstellen, wobei es sich auf Zellen konzentrierte, die für Forscher und die Öffentlichkeit von besonderem Interesse sind. Zu ihren ersten 3D-Modellen gehören eine Hefezelle, Epithelzellen aus sowohl krebsartigem als auch gesundem Brustgewebe sowie eine "minimal lebensfähige" Bakterienzelle, die um nicht essentielle Gene bereinigt wurde.
Diese Zellwelten können mit einem Virtual-Reality-Headset in 3D erkundet werden. Spieler wählen aus einem Menü von Minecraft-Welten, die den gewünschten Zelltyp enthalten, um ihre Erkundung zu beginnen. Die Bakterienzelle zeichnet sich durch das Fehlen eines Zellkerns aus, wobei die DNA frei im Zytoplasma schwimmt. Die Brustkrebszelle weist visuell unterschiedliche Merkmale auf, darunter eine längliche und spitzere Form sowie größere Nukleolen innerhalb des Zellkerns im Vergleich zu ihrer gesunden Entsprechung.
Tan erklärte, dass die längliche Form einer Krebszelle oft mit Metastasen verbunden ist, was auf aggressivere Krebsarten hindeutet. Histopathologen verwenden auch die Größe der Nukleolen als Marker für Krebs. CraftCells bietet ein lehrreiches und unterhaltsames Erlebnis, wobei Standard-Minecraft-Werkzeuge und -Waffen modifiziert wurden, um reale zelluläre Ereignisse zu simulieren.
Spieler können die Gewebeschäden durch reaktive Sauerstoffspezies erleben, eine Achterbahnfahrt durch DNA und zytoplasmatische Proteine in Bakterienzellen unternehmen und sogar die Laserablation, ein medizinisches Verfahren, imitieren, indem sie auf Brustkrebszellen schießen. Die Visualisierungen schließen bestimmte Moleküle, wie z. B. Wasser, aus, um wichtige Zellstrukturen hervorzuheben. Merkmale wie Proteine, DNA und Zellmembranen können ein- und ausgeschaltet werden, um sich auf bestimmte Komponenten zu konzentrieren und ihre Interaktionen zu verstehen.
Die Forscher haben jeden 3D-Pixel, oder Voxel, sorgfältig dimensioniert, um die Sicht auf die Zelle zu optimieren. Die Voxelgrößen variieren je nach Zelltyp zwischen einem und 100 Nanometern. Die Forscher glauben, dass CraftCells das wissenschaftliche Verständnis verbessern kann, indem es eine immersivere und interaktive 3D-Umgebung für die Untersuchung zellulärer Systeme bietet.
Thornburg betonte die Bedeutung der 3D-Visualisierung in der wissenschaftlichen Forschung und hob hervor, dass CraftCells ein einzigartiges Niveau der 3D-Erkundung bietet, das von anderen Tools nicht erreicht wird. Zukünftige Iterationen von CraftCells könnten es Wissenschaftlern ermöglichen, verschiedene Zellzustände zu erforschen, wie z. B. die Aufnahme von zielgerichteten Medikamenten durch menschliche Zellen oder die Veränderungen, die während der Ethanolproduktion durch Hefezellen auftreten.
CraftCells ist kostenlos verfügbar und kompatibel mit Minecraft Java, Bedrock und Education editions. Es kann von folgender Website heruntergeladen werden: https://github.com/Luthey-Schulten-Lab/CraftCells.
Luthey-Schulten, Boppart und Bhargava sind Professoren am Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Bhargava ist der Direktor des Cancer Center in Illinois. Diese Arbeit wurde am National Science Foundation Science and Technology Center for Quantitative Cell Biology im Beckman Institute der University of Illinois Urbana-Champaign durchgeführt.