Вирус Зика взорвался на мировой арене в прошлом году, когда представители здравоохранения начали подозревать, что он может вызвать врожденные дефекты у детей. Как и в случае эпидемии Эболы в 2014 году, страх быстро разросся. Разрушение, вызванное этой болезнью, глубоко тревожит, отчасти потому, что частицы инфекции невидимы.
Сделать что-то видимым - значит лучше справиться с этим, сделать его более управляемым. В марте этого года Майкл Россманн из Университета Пердью в Индиане и его коллеги нанесли на карту то, что Меган Розен для Science News охарактеризовала как «ухабистую структуру в форме мяча для гольфа» Зики. С выведенной структурой у ученых теперь есть отправная точка, чтобы узнать, как работает вирус и можно ли его остановить. Исследователи будут искать точки в структуре, которые могли бы предложить цель для препарата.
В том же духе, но с более художественным уклоном, другой ученый нарисовал изображение того, как оно может выглядеть, когда Зика заражает клетку.
Акварель Дэвида С. Гудселла изображает область шириной около 110 нанометров, сообщает Мэгги Заковиц для NPR . Это почти в 1000 раз меньше ширины типичного человеческого волоса. На картине розовая сфера, представляющая вирус, была разрезана пополам, чтобы выявить клубки вирусного генетического материала. Мясистые выпуклости на поверхности вируса охватывают зеленые башни, заключенные в светло-зеленую кривую, которая, кажется, заключает в себе беспорядочную сини. Поверхностные белки вируса связываются с рецепторами на поверхности клетки, которую он скоро заразит.
Смертельные вирусы никогда не выглядели так красиво, как под кистью Гудселла. Молекулярный биолог с совместными назначениями в Научно-исследовательском институте Скриппса в Ла-Хойя, штат Калифорния, и в Университете штата Ратгерс в Нью-Джерси рисует яркие и мягкие формы, напоминающие желе, футбольные мячи и спагетти, которые собираются и перемешиваются. Как абстрактные изображения они восхитительны, но работа Гудселла также твердо стоит на ногах в науке.
Ученый-художник делает некоторые образованные догадки для своих картин. «Некоторые объекты и взаимодействия очень хорошо изучены, а другие нет», - объясняет он. «Наука все еще растет». Но его опыт позволяет ему уверенно владеть кистью.
Визуализация микроскопического биологического мира впервые заинтриговала Гудселла в аспирантуре, когда он использовал такие методы, как рентгеновская кристаллография, для определения складок, скручиваний и искажений белков и нуклеиновых кислот.
Структура имеет ключевое значение для придания молекулам в клетках их функции, будь то ферменты, которые расщепляют другие молекулы, нити РНК, которые инструктируют белок, или волокна, которые поддерживают и формируют ткани. Карманы в белках предлагают места, где другие молекулы могут связываться и катализировать или предотвращать реакции. Когда Розалинд Франклин сумела сделать первый снимок ДНК с помощью рентгеновской кристаллографии, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик быстро смогли сделать вывод, как расстегивание двойной спирали может обеспечить шаблон для репликации генетического материала.
«Если вы стоите возле автомобиля, а капот закрыт, и вы не можете видеть двигатель, вы не представляете, как работает машина», - говорит Стивен К. Берли, исследователь, изучающий протеомику в университете Ратгерса. Сами клетки представляют собой крошечные, сложные машины, и понимание того, как они работают или какие детали и процессы идут не так под воздействием болезней, требует заглянуть под капот.
Вот почему Гудселл должен был понять, как молекулы были сформированы, а также как они сочетаются друг с другом внутри клетки.
В середине 1980-х компьютерная графика только врывалась в исследовательскую лабораторию и дала ученым, таким как Гудселл, которому сейчас 55 лет, беспрецедентный взгляд на молекулы, которые они изучали. Но даже лучшие программы изо всех сил пытались показать все тонкости одной молекулы. «Объекты размером с белок были настоящей проблемой», - говорит он. Визуализация множества белков и их место относительно клеточных структур в то время находились за пределами возможностей аппаратного и программного обеспечения.
«Я сказал себе: как бы это выглядело, если бы мы могли взорвать часть клетки и увидеть молекулы?» Гудселл говорит. Не имея современных мощных компьютерных графических возможностей, он буквально обратился к чертежной доске, чтобы собрать воедино все знания о структуре, которые он мог, и создать образ переполненного внутреннего пространства камеры. Его целью было «вернуться к рассмотрению общей картины науки», говорит он.
Созданные им изображения призваны стать научными иллюстрациями, чтобы вдохновить исследователей и широкую публику задуматься о структурах, лежащих в основе химических реакций и функций клеток.
Как правило, Гудселл проводит несколько часов, копаясь в научной литературе, чтобы узнать все, что исследователи знают о теме, которую он хочет проиллюстрировать. Затем он рисует большой карандашный набросок на основе того, что он изучил. Копировальная бумага помогает ему перенести этот набросок на акварельную бумагу. Молекулы внутри клеток часто меньше длины волны света, поэтому истинный вид молекулярного ландшафта будет бесцветным, но Гудселл добавляет цвет и затенение, чтобы помочь людям интерпретировать его картины. Результатом являются подробные представления о молекулярных механизмах в работе.
Например, на картине Эбола вирус выглядит как огромный червь, поднимающий голову. Вирус украл компоненты клеточной мембраны из зараженной клетки, изображенной светло-фиолетовым, пишет Goodsell для интернет-ресурса, Белкового банка данных (PDB) RCSB. Бирюзовые головки брокколи, покрывающие наружную поверхность этой мембраны, являются гликопротеинами, которые могут защелкиваться на поверхности клетки-хозяина и притягивать вирусную частицу достаточно близко, чтобы ее генетический материал (желтый, защищенный зеленым нуклеопротеином) мог быть помещен внутрь. Эти гликопротеины были основной мишенью для лекарств для борьбы с вирусом.
Картина выиграла в этом году награду Wellcome Image Awards, которая привлекает экспертов в области научной иллюстрации и визуализации со всего мира.
Живопись Эболы и многие другие изображения Гудселла живут в PDB под руководством Берли, директора хранилища. PDB содержит более 119 000 структур белков, РНК, ДНК и других молекул. Несколько статистических данных показывают, насколько важна структура для биологов: ежедневно из банка данных загружается около 1, 5 миллиона подробных данных о трехмерной структуре. За последние четыре года доступ к ресурсу получили люди из 191 из 194 признанных независимых государств мира.
В июле Гудселл опубликует свой 200-й «Молекула месяца», серию с его изображениями белков и других молекул вместе с письменным объяснением функции и важности структур.
Работа Гудселла помогает в новостях информировать старшеклассников и других о структурах, вызывающих болезнетворные частицы, и о состоянии здоровья. В так называемой серии PDB-101 его молекулы помогают студентам лучше понять механизмы, лежащие в основе диабета 2 типа или отравления свинцом. У него есть готовящаяся крупномасштабная картина, которая охватит жизненный цикл вируса ВИЧ.
Даже эксперты могут извлечь уроки из иллюстраций Гудселла. Вначале он вспоминает, как обходил институт, чтобы спросить своих коллег, насколько многолюдно они думали, что это была камера. Оценки, которые он получил, были очень размытыми. Только когда он отступил, чтобы посмотреть на картину в целом, стало очевидно, что клетки очень плотные и сложные.
«Я не знаю многих других людей, действующих так, как Гудселл», - говорит Берли. Работа Гудселла объединяет художественную интерпретацию и научные знания. «Он может рассказать больше истории о трехмерной структуре вручную, чем вы можете с помощью компьютерной графики. Это, я думаю, и есть настоящая красота его работы».
Работу Гудселла можно увидеть в серии « Молекула месяца » РЦБ «Белковый банк данных » и на его веб-сайте . Его веб-сайт также предоставляет более подробную информацию о некоторых изображениях в этой статье.
