Пластиковые белки водят для биологов атомный хоровод

Как создать ДНК? Вот простой рецепт. Возьмите пару оснований (держите их двумя руками, да покрепче) и осторожно сближайте их, пока они не притянутся друг к другу. Тогда переложите полученную цепочку в левую руку, а правой рукой берите следующую молекулу.

Профессор молекулярной биологии Арт Олсон (Art Olson) и его коллеги из исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute) создали новую систему расширенной реальности, позволяющую голыми руками проводить манипуляции со сложными молекулами.

 

 

Называется система "Материальный интерфейс для структурной молекулярной биологии" (Tangible Interfaces for Structural Molecular Biology).

Сначала с помощью трёхмерного принтера из полимера были напечатаны десятки пластмассовых моделей (поперечником примерно в 5-15 сантиметров) больших органических молекул, вирусов, ДНК, РНК, белков и так далее.

Так видит свои руки биолог. Все химические связи в виртуальных молекулах, их "электронные облака" — ведут себя в строгом соответствии с законами физики и химии (фото с сайта scripps.edu).

В этих моделях детально воспроизводились размеры и взаимное расположение атомов. Роль химических связей, влияющих на взаимодействие этих молекул с другими, выполняли крошечные магнитики, вплавленные в соответствующие места.

Так, ДНК составлена из ряда пластмассовых "оснований", прилипающих друг к другу. Форма выступов и впадин в "атомах" отвечает за правильное соединение нужных деталей.

Чтобы пощупать работу молекулы и увидеть, как она подходит к другой молекуле, учёный берёт в руки модель и садится за компьютер.

Над столом укреплена камера, направленная вертикально вниз. Она снимает руки биолога и модель в них. Эта картинка и выводится на монитор перед глазами, но не совсем напрямую.

Программа распознаёт движение в кадре и положение маркеров на поверхности молекулы. В соответствии с законами химии и физики, программа дорисовывает на экране различные электронные облака, ниточки водородных или углеродных связей и накладывает на объект другую научную информацию.

В этом пресс-релизе можно найти много интересных фотографий и видеороликов, показывающих работу системы.

Расширенная реальность – мир биологических молекул – поставлен на научную основу. Исследователю предлагается выбирать массу параметров своего "подопытного" предмета (фото с сайта scripps.edu).

В результате сочетания тактильных ощущений от упругого пластика и изображения на экране у человека возникает иллюзия прямой манипуляцией молекулами. При этом он видит, когда атомы могут соединяться при сближении объектов, а когда — нет.

Если сблизить "неправильные" стороны белков, их края окрашиваются красным.

Так что модели в руках биолога – не игрушки, а часть исследовательского инструмента. А их изображение на экране сопровождается мощными "биологическими" вычислениями, которые программа проделывает за кадром в режиме реального времени.

Авторы проекта уже показали, как в руках учёного длинная цепь аминокислоты сворачивается в компактный белок, как белки соединяются между собой.

В одном из опытов Олсон кидает в стеклянную баночку десяток-другой одинаковых "белковых молекул", закрывает банку, энергично встряхивает её, и через некоторое время детали сами собираются в сферическую оболочку вируса размером примерно с грецкий орех.

Так выглядит работа системы со стороны и глазами пользователя (фото с сайта scripps.edu).

Это, конечно, трюк, но именно в наглядности преимущество новой системы, с которой биологи надеются лучше разобраться в тонкостях взаимодействия биологических веществ.

В некотором роде — это возврат к истокам. Когда-то только с помощью макетов биологи и могли моделировать молекулы. Вспомните хотя бы "наглядные пособия" из кабинета химии.

Однако создание таких моделей, особенно – больших молекул — было трудной задачей. Иногда требовались месяцы кропотливой работы, чтобы склеить тысячи частей из бальзы или пластмассы в модель.

И когда макеты были закончены, многие из них оказывались настолько хрупкими, что должны были содержать массу проволочных подпорок, или их нужно было, не дыша, поместить в стеклянный кожух, чтобы не развалились.

Неудивительно, что с ростом мощи компьютеров моделирование биологических молекул полностью ушло в виртуальный мир. Но с этим, считает Олсон, было потеряно что-то важное. Что теперь и воссоздают в институте Скриппса.

Участники проекта Лиза Крэйг (Lisa Craig) и Эхад Кейнан (Ehud Keinan) показывают модели различных биологических структур (фото с сайта scripps.edu).

Забавно, что встряхивание массы деталей в банке – не только способ показать правильность модели (как в случае с вирусом), но и способ проверить версию о самосборке сложных молекул.

Встряхивание имитирует броуновское движение. Вот в одной большой пластиковой фляге у Олсона "живёт" огромное количество небольших молекул, снабжённых магнитами и выступами-впадинами, как в детском конструкторе.

Эту флягу учёный трясёт давно – часть деталей уже собралась в сложные структуры, а часть никак не хочет занимать своё место.

"Это – молекула, которую мы всё ещё пробуем создать, – говорит Олсен, и развивает свою философию. — Чем проще будет возможность подержать биологическую молекулу в руках, тем легче будет выяснить то, что она делает в теле человека".

Статья получена: Membrana.ru