27.04.2021

Molekulare Interaktionen in 3D erkunden

Das komplexe Zusammenspiel von Genen, Proteinen und Proteinkomplexen lässt sich zweidimensional nur unzureichend abbilden. Forscher/innen der ÖAW waren federführend an der Entwicklung einer Virtual Reality Plattform beteiligt, die mehrdimensionale Netze visuell darstellbar und für weiterführende Forschung zugänglich macht. Die Studie inklusive eines Proof of Concept mit Daten zu seltenen Erkrankungen wurde in Nature Communications publiziert.

Die Komplexität des Körpers auf Ebene der Zellen als Virtual Reality erleben, das konnten Forscher/innen der ÖAW nun ermöglichen. © ÖAW
Die Komplexität des Körpers auf Ebene der Zellen als Virtual Reality erleben, das konnten Forscher/innen der ÖAW nun ermöglichen. © ÖAW

Je größer und komplexer Netzwerke sind, desto schwieriger wird auch ihre Visualisierung auf dem Bildschirm. Herkömmliche Computerprogramme stoßen dabei schnell an ihre Grenzen. Dieser Herausforderung stellten sich Netzwerkwissenschaftler Jörg Menche und seine Forschungsgruppe am CeMM – Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Sie entwickelten eine Virtual Reality (VR) Plattform, die es ermöglicht, riesige Datenmengen und deren komplexes Zusammenspiel auf eine intuitive Weise zu untersuchen.

Der Körper als Netzwerk

Vielversprechend ist die neue Plattform bei der Analyse molekularbiologischer Funktionszusammenhänge, insbesondere bei der Suche nach fehlerhaften Interaktionen, die sich als Ursachen seltener Erkrankungen entpuppen könnten.

Der menschliche Körper stellt mit seinen rund 20.000 Proteinen, die im menschlichen Genom codiert sind und miteinander interagieren, ein riesiges komplexes Netzwerk dar. Egal ob Bewegung oder Verdauung – auf molekularer Ebene basieren sämtliche biologischen Prozesse auf der Interaktion zwischen Proteinen. In einem herkömmlichen Netz dargestellt, wären das etwa 18.000 Protein-Netzknoten und rund 300.000 Verbindungslinien.

Dieses unübersichtliche Konstrukt wird mit der neuen VR-Plattform intuitiv zugänglich, wie die ÖAW-Wissenschaftler/innen in Kooperation mit der St. Anna Kinderkrebsforschung gezeigt haben. In einem Proof of Concept haben sie die Gesamtheit der zellulären Proteininteraktionen erstmals in einem virtuellen Interaktionsraum abgebildet und einer Analyse zugänglich gemacht. Diese Studie wurde nun im Fachjournal Nature Communications publiziert.

Annäherung an die Ursache seltener Immunerkrankungen

Erstautor Sebastian Pirch und seine Kolleg/innen in Menches Forschungsgruppe haben zunächst die Verbindungsmuster zwischen verschiedenen Proteinkomplexen in den Fokus genommen und ihren biologischen Funktion zugeordnet. In einem weiteren Schritt haben sie jene Proteinkomplexe mithilfe globaler Datenbanken identifiziert, die mit einer bestimmten Krankheit assoziiert werden. „Während herkömmliche Darstellungsformen wie ein einziger Heuhaufen aussehen würden, ermöglicht die dreidimensionale Darstellung die genaue Analyse und Beobachtung der verschiedenen Proteinkomplexe und ihrer Interaktionen“, so Studienautor Pirch.

Dies erleichtert den Wissenschaftler/innen den Weg zur Identifikation der beteiligten Gene, insbesondere zur Identifikation seltener Gendefekte. „Unsere Studie stellt einerseits einen wichtigen ‚Proof of concept‘ unserer VR-Plattform dar, andererseits zeigt sie unmittelbar das enorme Potenzial der Visualisierung molekularer Netzwerke“, so Projektleiter Menche. „Denn gerade bei seltenen Erkrankungen, schweren Immunerkrankungen, können Proteinkomplexe, die mit spezifischen klinischen Symptomen assoziiert werden, genauer analysiert werden, um Hypothesen über ihre jeweiligen pathobiologischen Mechanismen zu entwickeln. Dies erleichtert die Annäherung an Erkrankungsursachen sowie die Suche nach gezielten therapeutischen Maßnahmen.“

Vorbild „Fortnite“

Die von Menches Forschungsgruppe entwickelte Plattform ist auf maximale Flexibilität und Erweiterbarkeit ausgelegt. Zu den wichtigsten Funktionen gehören der Import von benutzerdefinierten Codes für die Datenanalyse, eine einfache Integration externer Datenbanken und hoher Gestaltungsspielraum für beliebige Elemente der Benutzeroberfläche.

Dabei konnten die Forscher/innen auf eine Technologie zurückgreifen, die normalerweise in der Entwicklung von 3D-Computerspielen genutzt wird, wie zum Beispiel für das weltweit populäre Spiel „Fortnite“. Der Quellcode der neuen VR-Plattform ist offen, und das Potenzial von Virtual Reality zur Analyse wissenschaftlicher Daten noch lange nicht ausgeschöpft, so die Einschätzung der Studienautor/innen.

 

AUF EINEN BLICK

Publikation:

"VRNetzer: A Virtual Reality Network Analysis Platform", Sebastian Pirch et al. Nature Communications, 2021
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-22570-w

 


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