Das Zika-Virus ist im vergangenen Jahr weltweit aufgetaucht, als die Gesundheitsbehörden den Verdacht hegten, dass es Geburtsfehler bei Babys verursachen könnte. Wie die Ebola-Epidemie im Jahr 2014 nahm die Angst schnell zu. Die Zerstörung durch die Krankheit ist zutiefst beunruhigend, auch weil die Ansteckungspartikel unsichtbar sind.
Etwas sichtbar zu machen bedeutet, es besser in den Griff zu bekommen und es handlicher zu machen. Im März dieses Jahres kartierten Michael Rossmann von der Purdue University in Indiana und seine Kollegen das, was Meghan Rosen für Science News als "holprige, golfballförmige Struktur" von Zika bezeichnete. Mit der daraus abgeleiteten Struktur haben die Wissenschaftler nun einen Ausgangspunkt, um zu lernen, wie das Virus funktioniert und ob es gestoppt werden kann. Die Forscher werden nach Punkten in der Struktur suchen, die ein Ziel für ein Medikament darstellen könnten.
In diesem Sinne, aber mit einer künstlerischeren Wendung, hat ein anderer Wissenschaftler ein Bild davon gemalt, wie es aussehen könnte, wenn Zika eine Zelle infiziert.
David S. Goodsells Aquarell zeigt eine Fläche von etwa 110 Nanometern, berichtet Maggie Zackowitz für NPR . Das ist fast tausendmal kleiner als die Breite eines typischen Menschenhaars. Auf dem Gemälde wurde eine rosa Kugel, die das Virus darstellt, in zwei Hälften geschnitten, um Verwicklungen des viralen genetischen Materials aufzudecken. Fleischige Erhebungen auf der Oberfläche des Virus greifen nach grünen Türmen, die in eine hellgrüne Kurve eingebettet sind, die ein Durcheinander von Blau zu umschließen scheint. Die Oberflächenproteine des Virus binden an Rezeptoren auf der Oberfläche einer Zelle, die es bald infizieren wird.
Tödliche Viren sahen noch nie so schön aus wie unter Goodsells Pinsel. Der Molekularbiologe mit gemeinsamen Ernennungen am Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien, und an der Rutgers State University in New Jersey malt farbenfrohe und matschig aussehende Formen, die an Jellybeans, Footballs und Spaghetti erinnern, die sich drängen und durcheinander bringen. Als abstrakte Bilder sind sie entzückend, aber auch in der Wissenschaft ist Goodsells Arbeit fest verankert.
Der Wissenschaftler-Künstler macht einige fundierte Vermutungen für seine Bilder. "Einige der Objekte und Interaktionen sind sehr gut untersucht und andere nicht", erklärt er. "Die Wissenschaft ist immer noch ein wachsendes Feld." Dank seines Fachwissens kann er den Pinsel jedoch mit Zuversicht führen.
Die mikroskopische biologische Welt zu visualisieren, faszinierte Goodsell als Absolvent, als er sich auf Techniken wie Röntgenkristallographie stützte, um die Falten, Verdrehungen und Verrenkungen von Proteinen und Nukleinsäuren abzuleiten.
Struktur ist der Schlüssel, um Molekülen in Zellen ihre Funktion zu verleihen, egal ob es sich um Enzyme handelt, die andere Moleküle spalten, um RNA-Stränge, die den Proteinaufbau anleiten, oder um Fasern, die Gewebe stützen und formen. Taschen in Proteinen bieten Stellen, an denen andere Moleküle binden und Reaktionen katalysieren oder verhindern können. Als es Rosalind Franklin gelang, mithilfe der Röntgenkristallographie das erste DNA-Bild aufzunehmen, gelang es James Watson und Francis Crick, schnell zu folgern, wie das Entpacken der Doppelhelix eine Vorlage für die Replikation von genetischem Material liefern kann.
"Wenn Sie vor einem Auto stehen und die Motorhaube geschlossen ist, so dass Sie den Motor nicht sehen können, wissen Sie nicht, wie die Maschine funktioniert", sagt Stephen K. Burley, ein Forscher, der Proteomik an der Rutgers University studiert. Zellen selbst sind winzige, komplexe Maschinen, und um zu verstehen, wie sie funktionieren oder welche Teile und Prozesse unter dem Einfluss von Krankheiten schief laufen, muss ein Blick unter die Haube geworfen werden.
Aus diesem Grund musste Goodsell verstehen, wie Moleküle geformt wurden und wie sie in der Zelle zusammenpassen.
Die Computergrafik war erst Mitte der 1980er Jahre in der Szene der Forschungslabors aufgetaucht und gab Wissenschaftlern wie dem 55-jährigen Goodsell einen beispiellosen Einblick in die von ihnen untersuchten Moleküle. Aber selbst die besten Programme hatten Mühe, alle Feinheiten eines einzelnen Moleküls aufzuzeigen. "Objekte von der Größe eines Proteins waren eine echte Herausforderung", sagt er. Die Visualisierung mehrerer Proteine und ihrer Position in Bezug auf zelluläre Strukturen war zu diesem Zeitpunkt nicht mehr mit Hardware- und Software-Funktionen möglich.
"Ich sagte mir: Wie würde es aussehen, wenn wir einen Teil der Zelle in die Luft jagen und die Moleküle sehen könnten?" Goodsell sagt. Ohne die leistungsstarken Computergrafikfähigkeiten von heute wandte er sich buchstäblich dem Zeichenbrett zu, um alle Teile des Wissens über die Struktur, die er konnte, zusammenzusetzen und das Bild des überfüllten Innenraums einer Zelle zu erstellen. Sein Ziel war es, "wieder das Gesamtbild der Wissenschaft zu betrachten", sagt er.
Die Bilder, die er schafft, sollen wissenschaftliche Illustrationen sein, Forscher und die Öffentlichkeit dazu inspirieren, über die Strukturen nachzudenken, die chemischen Reaktionen und Zellfunktionen zugrunde liegen.
In der Regel verbringt Goodsell einige Stunden damit, die wissenschaftliche Literatur zu durchsuchen, um alles zu erfahren, was Forscher über das Thema wissen, das er veranschaulichen möchte. Dann erstellt er eine große Bleistiftskizze, die auf dem basiert, was er gelernt hat. Kohlepapier hilft ihm, diese Skizze auf Aquarellpapier zu übertragen. Die Moleküle in den Zellen sind oft kleiner als die Wellenlänge des Lichts, so dass eine echte Ansicht einer molekularen Landschaft farblos wäre, aber Goodsell fügt Farbe und Schattierung hinzu, um die Menschen bei der Interpretation seiner Bilder zu unterstützen. Das Ergebnis sind detaillierte Ansichten molekularer Maschinen bei der Arbeit.
In einem Ebola-Gemälde sieht das Virus beispielsweise wie ein riesiger Wurm aus, der seinen Kopf aufrichtet. Das Virus hat die Bestandteile einer Zellmembran einer infizierten Zelle gestohlen, die in hellem Purpur dargestellt ist. Dies schreibt Goodsell für die Online-Ressource, die Protein Data Bank (PDB) des RCSB. Türkise Brokkoliköpfe, die die Außenseite dieser Membran stuckieren, sind Glykoproteine, die sich an der Oberfläche einer Wirtszelle festsetzen und das Viruspartikel so nah an sich ziehen können, dass sein genetisches Material (in Gelb, geschützt durch das grüne Nukleoprotein) hinein geschoben werden kann. Diese Glykoproteine waren ein Hauptziel für Medikamente zur Bekämpfung des Virus.
Das Gemälde wurde mit dem diesjährigen Wellcome Image Award ausgezeichnet, einem Wettbewerb, an dem Experten für wissenschaftliche Illustration und Visualisierung aus der ganzen Welt teilnehmen.
Das Ebola-Gemälde und viele andere Bilder von Goodsell leben im PDB unter der Aufsicht von Burley, dem Direktor des Endlagers. Die PDB enthält mehr als 119.000 Strukturen aus Proteinen, RNA, DNA und anderen Molekülen. Einige Statistiken belegen, wie wichtig Struktur für Biologen ist: Täglich werden etwa 1, 5 Millionen detaillierte 3D-Strukturinformationen aus der Datenbank heruntergeladen. In den letzten vier Jahren haben Menschen aus 191 der 194 anerkannten unabhängigen Staaten der Welt auf die Ressource zugegriffen.
Im Juli wird Goodsell sein 200. "Molekül des Monats" veröffentlichen, eine Serie mit seinen Darstellungen von Proteinen und anderen Molekülen sowie einer schriftlichen Erklärung der Funktion und Bedeutung der Strukturen.
Goodsells Arbeit hilft dabei, Schüler und andere über die Strukturen zu informieren, die in den Nachrichten hinter krankheitsverursachenden Partikeln und Gesundheitszuständen stecken. Bei der sogenannten PDB-101-Serie helfen seine Moleküle den Schülern, die Mechanismen hinter Typ-2-Diabetes oder Bleivergiftung besser zu verstehen. Er hat ein anstehendes großformatiges Gemälde, das den Lebenszyklus des HIV-Virus abdeckt.
Sogar die Experten können aus Goodsells Illustrationen lernen. Früh erinnerte er sich, dass er im Institut herumgegangen war, um seine Kollegen zu fragen, wie voll sie eine Zelle fanden. Die Schätzungen, die er zurückerhielt, waren sehr verwässert. Erst als er sich zurückzog, um das Gesamtbild zu betrachten, wurde klar, dass die Zellen sehr dicht und komplex sind.
"Ich kenne nicht viele andere Leute, die so arbeiten wie [Goodsell]", sagt Burley. Goodsells Arbeit vereint künstlerische Interpretation und wissenschaftliche Erkenntnisse. "Er kann mit der Hand mehr von der Geschichte der 3D-Struktur erzählen als mit der Computergrafik. Ich denke, das ist die wahre Schönheit seiner Arbeit."
Goodsells Arbeiten sind in der Reihe " Molecule of the Month " der RCSB Protein Data Bank und auf seiner Website zu sehen . Auf seiner Website finden Sie weitere Informationen zu einigen Bildern in diesem Artikel.
