Científicos crean modelos 3D de células en Minecraft para fines educativos y de investigación
Investigadores han traducido datos experimentales y computacionales a nanoescala en representaciones 3D precisas de bacterias, levaduras y células epiteliales, mamarias y de cáncer de mama humano en el popular videojuego Minecraft. Esta innovación permite a investigadores y estudiantes de todas las edades navegar por las células biológicas, explorar sus estructuras internas y observar la distribución de diversos componentes dentro de la célula.
"CraftCells: A Window into Biological Cells" es la primera herramienta ampliamente accesible que proporciona a los usuarios una representación 3D precisa de células completas, según Zaida (Zan) Luthey-Schulten, profesora de química y física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, quien dirigió el proyecto. El equipo, que incluye a los profesores de bioingeniería de Illinois Stephen Boppart y Rohit Bhargava, el estudiante graduado Kevin Tan, los investigadores postdoctorales Zane Thornburg y Seth Kenkel, y el autor principal Tianyu Wu, un estudiante graduado en biofísica, publicó sus hallazgos en la revista The Biophysicist.
Luthey-Schulten enfatizó la importancia de pasar de las imágenes 2D de los libros de texto al estudio de la organización 3D de las células. Si bien las visualizaciones 3D más complejas de datos moleculares son accesibles para algunos científicos a través de programas como NAMD y VMD, estos requieren una potencia de cálculo significativa, lo que limita su accesibilidad. CraftCells, sin embargo, ofrece una plataforma de visualización 3D fácil de usar y fácilmente accesible.
El equipo utilizó datos de microscopía de alta resolución para construir sus modelos de células, centrándose en las células de particular interés para los investigadores y el público. Sus primeros modelos 3D incluyen una célula de levadura, células epiteliales tanto de tejido mamario canceroso como sano, y una célula bacteriana "mínimamente viable", despojada de genes no esenciales.
Estos mundos celulares se pueden explorar en 3D utilizando un auricular de realidad virtual. Los jugadores seleccionan de un menú de mundos de Minecraft que contienen el tipo de célula deseado para comenzar su exploración. La célula bacteriana se distingue por la ausencia de un núcleo, con el ADN flotando libremente en el citoplasma. La célula de cáncer de mama presenta características visualmente distintas, incluida una forma alargada y más puntiaguda, así como nucléolos más grandes dentro del núcleo en comparación con su contraparte sana.
Tan explicó que la forma alargada de una célula cancerosa a menudo se asocia con metástasis, lo que indica cánceres más agresivos. Los histopatólogos también utilizan el tamaño de los nucléolos como marcador del cáncer. CraftCells ofrece una experiencia educativa y entretenida, con herramientas y armas estándar de Minecraft modificadas para simular eventos celulares del mundo real.
Los jugadores pueden experimentar los efectos dañinos de las especies reactivas de oxígeno en los tejidos, dar un paseo en montaña rusa a través del ADN y las proteínas citoplasmáticas en las células bacterianas, e incluso emular la ablación con láser, un procedimiento médico, disparando a las células de cáncer de mama. Las visualizaciones excluyen ciertas moléculas, como el agua, para resaltar las estructuras celulares más prominentes. Características como proteínas, ADN y membranas celulares se pueden activar y desactivar para enfocarse en componentes específicos y comprender sus interacciones.
Los investigadores dimensionaron cuidadosamente cada píxel 3D, o voxel, para optimizar la vista de la célula. Los tamaños de los voxeles varían de uno a 100 nanómetros según el tipo de célula. Los investigadores creen que CraftCells puede mejorar la comprensión científica al proporcionar un entorno 3D más inmersivo e interactivo para el estudio de sistemas celulares.
Thornburg destacó la importancia de la visualización 3D en la investigación científica, enfatizando que CraftCells ofrece un nivel único de exploración 3D no ofrecido por otras herramientas. Las futuras iteraciones de CraftCells podrían permitir a los científicos explorar diferentes estados celulares, como la absorción de fármacos dirigidos por células humanas o los cambios que ocurren durante la producción de etanol por células de levadura.
CraftCells está disponible de forma gratuita y es compatible con Minecraft Java, Bedrock y Education editions. Se puede descargar desde: https://github.com/Luthey-Schulten-Lab/CraftCells.
Luthey-Schulten, Boppart y Bhargava son profesores en el Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada. Bhargava es el director del Centro de Cáncer de Illinois. Este trabajo se llevó a cabo en el Centro de Ciencia y Tecnología de Biología Celular Cuantitativa de la Fundación Nacional de Ciencias en el Instituto Beckman de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.