Des scientifiques créent des modèles 3D de cellules dans Minecraft à des fins éducatives et de recherche
Des chercheurs ont traduit des données expérimentales et computationnelles à l'échelle nanométrique en représentations 3D précises de bactéries, de levures et de cellules épithéliales, mammaires et cancéreuses du sein humain dans le jeu vidéo populaire Minecraft. Cette innovation permet aux chercheurs et aux étudiants de tous âges de naviguer dans les cellules biologiques, d'explorer leurs structures internes et d'observer la distribution de divers composants à l'intérieur de la cellule.
"CraftCells: A Window into Biological Cells" est le premier outil largement accessible qui fournit aux utilisateurs une représentation 3D précise de cellules entières, selon Zaida (Zan) Luthey-Schulten, professeure de chimie et de physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, qui a dirigé le projet. L'équipe, qui comprend les professeurs de bio-ingénierie de l'Illinois Stephen Boppart et Rohit Bhargava, l'étudiant diplômé Kevin Tan, les chercheurs postdoctoraux Zane Thornburg et Seth Kenkel, et l'auteur principal Tianyu Wu, un étudiant diplômé en biophysique, a publié ses résultats dans le journal The Biophysicist.
Luthey-Schulten a souligné l'importance de passer des images 2D des manuels scolaires à l'étude de l'organisation 3D des cellules. Bien que des visualisations 3D plus complexes de données moléculaires soient accessibles à certains scientifiques grâce à des programmes tels que NAMD et VMD, elles nécessitent une puissance de calcul importante, ce qui limite leur accessibilité. CraftCells, cependant, offre une plateforme de visualisation 3D conviviale et facilement accessible.
L'équipe a utilisé des données de microscopie à haute résolution pour construire ses modèles de cellules, en se concentrant sur les cellules présentant un intérêt particulier pour les chercheurs et le public. Leurs premiers modèles 3D comprennent une cellule de levure, des cellules épithéliales à la fois de tissus mammaires cancéreux et sains, et une cellule bactérienne "minimalement viable", dépourvue de gènes non essentiels.
Ces mondes cellulaires peuvent être explorés en 3D à l'aide d'un casque de réalité virtuelle. Les joueurs sélectionnent dans un menu de mondes Minecraft contenant le type de cellule souhaité pour commencer leur exploration. La cellule bactérienne se distingue par l'absence de noyau, l'ADN flottant librement dans le cytoplasme. La cellule cancéreuse du sein présente des caractéristiques visuellement distinctes, notamment une forme allongée et plus pointue, ainsi que des nucléoles plus importants à l'intérieur du noyau par rapport à sa contrepartie saine.
Tan a expliqué que la forme allongée d'une cellule cancéreuse est souvent associée à des métastases, indiquant des cancers plus agressifs. Les histopathologistes utilisent également la taille des nucléoles comme marqueur du cancer. CraftCells offre une expérience éducative et divertissante, les outils et les armes standard de Minecraft ayant été modifiés pour simuler des événements cellulaires réels.
Les joueurs peuvent expérimenter les effets destructeurs des espèces réactives de l'oxygène sur les tissus, faire un tour de montagnes russes à travers l'ADN et les protéines cytoplasmiques dans les cellules bactériennes, et même imiter l'ablation au laser, une procédure médicale, en tirant sur les cellules cancéreuses du sein. Les visualisations excluent certaines molécules, telles que l'eau, afin de mettre en évidence les structures cellulaires les plus importantes. Des caractéristiques telles que les protéines, l'ADN et les membranes cellulaires peuvent être activées et désactivées pour se concentrer sur des composants spécifiques et comprendre leurs interactions.
Les chercheurs ont soigneusement dimensionné chaque pixel 3D, ou voxel, afin d'optimiser la vue de la cellule. Les tailles des voxels varient de un à 100 nanomètres selon le type de cellule. Les chercheurs pensent que CraftCells peut améliorer la compréhension scientifique en fournissant un environnement 3D plus immersif et interactif pour l'étude des systèmes cellulaires.
Thornburg a souligné l'importance de la visualisation 3D dans la recherche scientifique, soulignant que CraftCells offre un niveau unique d'exploration 3D non offert par d'autres outils. Les futures itérations de CraftCells pourraient permettre aux scientifiques d'explorer différents états cellulaires, tels que l'absorption de médicaments ciblés par les cellules humaines ou les changements qui se produisent pendant la production d'éthanol par les cellules de levure.
CraftCells est disponible gratuitement et compatible avec Minecraft Java, Bedrock et Education editions. Il peut être téléchargé à partir de : https://github.com/Luthey-Schulten-Lab/CraftCells.
Luthey-Schulten, Boppart et Bhargava sont professeurs à l'Institut Beckman des sciences et technologies avancées. Bhargava est le directeur du Centre du cancer de l'Illinois. Ce travail a été mené au Centre scientifique et technologique de la biologie cellulaire quantitative de la National Science Foundation à l'Institut Beckman de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.