Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне, США, нашли необычный способ погружения в мир клеточной биологии: они перенесли данные о наномасштабных структурах клеток в популярную видеоигру Minecraft. Теперь ученики, студенты и ученые могут буквально «гулять» внутри клеток, исследуя их строение в интерактивном 3D-пространстве.
Проект, получивший название CraftCells: Окно в мир клеток, стал первым инструментом, позволяющим пользователям взаимодействовать с точными трехмерными моделями клеток в доступной среде. Его разработкой руководила профессор химии и физики Заида (Зан) Латей-Шультен. В исследовании также участвовали биоинженеры Стивен Боппарт и Рохит Бхаргава, аспирант Кевин Тан, постдокторанты Зейн Торнбург и Сет Кенкел, а также ведущий автор статьи — аспирант по биофизике Тянью У. Результаты работы опубликованы в журнале The Biophysicist.
Почему это важно?
В традиционных учебниках клетки изображаются в виде плоских схем, что не позволяет в полной мере осознать их сложное трехмерное строение. Хотя для специалистов существуют сложные программы визуализации, такие как NAMD и VMD, они требуют высокой вычислительной мощности. В отличие от них, CraftCells — это простой и удобный инструмент, доступный любому пользователю Minecraft.
Команда ученых использовала высокоточное микроскопическое изображение для создания 3D-моделей различных клеток, включая дрожжевые клетки, эпителиальные клетки молочной железы (как здоровые, так и раковые), а также минимально жизнеспособную бактериальную клетку, в которой удалены все несущественные гены.
Как это работает?
Погружение в клеточный мир происходит в привычной среде Minecraft, но с некоторыми интересными особенностями. Игроки могут выбрать один из нескольких доступных «миров» — каждая локация представляет собой модель определенной клетки. Например, бактериальная клетка отличается отсутствием ядра, а её ДНК свободно плавает в цитоплазме. Раковая клетка имеет вытянутую, заостренную форму и более крупные ядрышки в ядре по сравнению со здоровой клеткой.
«Такая вытянутая форма часто связана с метастазированием и более агрессивными формами рака», — объясняет Кевин Тан. Кроме того, размер ядрышек является важным диагностическим показателем, который используют гистопатологи для выявления раковых изменений.
Научные эксперименты в виртуальном мире
CraftCells делает изучение клеток не только познавательным, но и увлекательным. Игроки могут:
Испытывать разрушительное воздействие активных форм кислорода на клеточные структуры.
Прокатиться на «американских горках» сквозь ДНК и цитоплазматические белки внутри бактериальной клетки.
«Стрелять» в раковые клетки, моделируя лазерную абляцию — метод лечения опухолей.
Некоторые молекулы, такие как вода, были исключены из визуализации, чтобы выделить ключевые структуры. Игроки могут включать и выключать отображение различных элементов, например белков, ДНК и клеточных мембран, чтобы сосредоточиться на изучении конкретных взаимодействий.
Будущее проекта
Каждый «пиксель» (воксель) в этих моделях представляет собой участок размером от 1 до 100 нанометров, что позволяет точно передать клеточное строение. По словам Зейна Торнбурга, CraftCells предлагает совершенно новый уровень визуализации клеток, превосходящий доступные ранее инструменты.
Разработчики планируют расширять функционал проекта. В будущем пользователи смогут исследовать, как клетки реагируют на лекарства, как дрожжи перерабатывают этанол, а также изучать другие клеточные процессы в динамике.
Этот проект стал возможным благодаря исследовательскому центру NSF Science and Technology Center for Quantitative Cell Biology при Beckman Institute Университета Иллинойса. Руководители проекта Заида Латей-Шультен, Стивен Боппарт и Рохит Бхаргава также являются членами института, а Бхаргава возглавляет Центр изучения рака в Иллинойсе.
Minecraft уже давно используется в образовательных целях, но CraftCells делает его по-настоящему уникальным инструментом для изучения биологии. Теперь каждый может исследовать сложные структуры клеток в увлекательной интерактивной форме, что делает науку еще доступнее и интереснее.