Visualizzare Strutture Cellulari con Unreal Engine 5

Sviluppi recenti in una tecnica chiamata Tomografia elettronica criogenica (CryoET) hanno reso possibile osservare da vicino grandi molecole all'interno delle cellule. Combinando questo con strutture ad alta risoluzione disponibili da database e metodi che prevedono come siano plasmati i Proteine in base alle loro sequenze, ora gli scienziati possono identificare vari proteine in queste immagini cellulari. Questo permette ai ricercatori di vedere dove si trovano i proteine, come sono orientati e, a volte, come cambiano forma quando sono nei loro ambienti naturali.

Man mano che vengono create più immagini da queste tecniche avanzate, la complessità della cellula mostrata da CryoET richiede nuovi modi per visualizzare tutte queste molecole contemporaneamente. Il software attualmente utilizzato per la visualizzazione, come UCSF ChimeraX, può mostrare chiaramente solo alcune strutture proteiche alla volta. Per le immagini complete create da CryoET, i dati di solito appaiono solo come immagini in scala di grigi o forme semplificate che non mostrano dettagli. Questa limitazione diventa un problema per i ricercatori che desiderano studiare le cellule in profondità. Anche se alcune relazioni spaziali tra le molecole possono essere annotate tramite metodi statistici, poterle vedere in modo dinamico e interattivo è ancora molto più utile per esaminare come queste molecole interagiscono tra loro.

Una delle principali difficoltà nel visualizzare queste grandi molecole è che servono molte forme dettagliate-fatte di tanti triangoli-per creare una vista chiara. Per esempio, mentre un modello dettagliato di un umano potrebbe necessitare di meno di 100.000 triangoli, un singolo ribosoma preso ad alta risoluzione ne ha bisogno di quasi 300.000. Anche se ci sono solo pochi proteine in una scena, il numero di triangoli può facilmente arrivare a decine di milioni, il che è troppo per i computer normali gestire senza bloccarsi.

Per affrontare questa sfida, i ricercatori stanno utilizzando un motore di gioco chiamato Unreal Engine 5 (UE5) per visualizzare un gran numero di proteine ad alta risoluzione tutte allo stesso tempo. UE5 ha un nuovo sistema chiamato Nanite che regola automaticamente quanto dettaglio mostra in base a quanto lontano è l'osservatore da ciascun oggetto. Questo significa che anche con miliardi di triangoli, il software può renderizzare tutto in modo carino senza necessitare di schede grafiche di alta qualità.

UE5 offre anche un'esperienza interattiva e divertente. Gli utenti possono muoversi nell'ambiente e osservare le strutture da angolazioni diverse in tempo reale. Inoltre, la nuova versione del motore permette l'uso di script Python, rendendo più facile collegarsi ad altri strumenti e posizionare automaticamente le proteine nei loro posti corretti basandosi sui risultati sperimentali.

Per illustrare questa tecnica di rendering avanzata, vediamo due esempi biologici creati all'interno dell'ambiente UE5. Il primo esempio riguarda una rappresentazione di un batterio infettato da un virus chiamato P22. Usando dati reali di CryoET, la scena mostra virus che circondano un piccolo batterio che inietta il loro materiale genetico nella cellula. Il modello include ribosomi che aiutano nella produzione di proteine e vari piccoli proteine coinvolti nel processo di infezione.

In questa scena virtuale, sono resi trenta tipi di Macromolecole, per un totale di circa 580 modelli diversi, inclusi il virus e i ribosomi. Per i proteine che non possono essere identificati direttamente, sono stati usati dati da studi sui proteine dei batteri Salmonella per posizionare casualmente quei proteine nella scena. Il rendering finale include oltre 40.000 oggetti, tutti fatti di circa 1,5 miliardi di triangoli, e tutto può essere visto in tempo reale con una scheda grafica standard.

Il secondo esempio si concentra su parti di una cellula eucariotica, specificamente sull'apparato di Golgi e sui cloroplasti trovati in un tipo di alga verde chiamata Chlamydomonas. Anche questa scena si basa su dati reali di CryoET che mostrano le Membrane lipidiche e le proteine che ricoprono le vescicole. In questo rendering, l'attenzione è sui processi di fotosintesi che avvengono all'interno del cloroplasto.

In questo caso, la complessità deriva dalla creazione delle varie forme delle membrane. Suddividendo le membrane in sezioni più piccole, i ricercatori possono assemblare questi pezzi nel motore di gioco. L'intera scena contiene oltre 20 milioni di molecole lipidiche e circa 130.000 oggetti statici fatti di 11,6 miliardi di triangoli possono ancora essere resi da UE5 utilizzando attrezzature standard. Gli utenti possono esplorare questo mondo in tempo reale, interagendo con gli oggetti come vogliono.

Insieme a questi rendering, i ricercatori hanno sviluppato strumenti che aiutano a posizionare i proteine nei loro posti corretti all'interno della scena cellulare. Invece di posizionare manualmente ogni oggetto, il programma può automaticamente posizionarli in base ai dati raccolti da CryoET. Un processo specifico viene utilizzato per convertire la posizione e le orientazioni delle proteine ottenute dai dati sperimentali nel sistema di coordinate del motore di gioco.

Quando si posizionano macromolecole nell'ambiente virtuale, si utilizza un metodo che consente un facile import delle strutture proteiche da un database in UE5. Dopo che le strutture sono state convertite in un formato compatibile, possono essere automaticamente posizionate all'interno della cellula in base alle loro posizioni determinate.

Oltre alle strutture statiche delle proteine, è fondamentale mostrare come queste proteine si muovono. Anche se i sistemi in UE5 supportano il rendering delle strutture statiche, il motore non riesce ancora a gestire forme flessibili e in movimento. I ricercatori stanno attualmente lavorando su modi per rappresentare meglio i movimenti delle proteine all'interno del mondo virtuale. Studiando come le proteine cambiano forma e interagiscono, sarà possibile avere un quadro più chiaro delle funzioni biologiche a livello cellulare.

Con l'ascesa della tecnologia della realtà virtuale (VR), un'altra area di interesse è il rendering di queste strutture macromolecolari in ambienti VR. Sebbene UE5 supporti la VR in generale, il rendering di grandi scene è ancora una sfida. Per ora, una possibile soluzione è creare video panoramici a 360° che possono essere visionati tramite dispositivi VR, permettendo agli utenti di immergersi nel mondo molecolare.

In conclusione, l'uso di un motore di gioco per visualizzare il funzionamento interno delle cellule mostra un grande potenziale. Creando modelli interattivi e ad alta risoluzione delle strutture e dei movimenti cellulari, i ricercatori possono ottenere nuove intuizioni sui processi biologici. Questo approccio innovativo non solo migliorerà la comprensione scientifica, ma potrebbe anche diventare uno strumento educativo prezioso per insegnare biologia cellulare e molecolare alle generazioni future. Con lo sviluppo della tecnologia, le visualizzazioni diventeranno sempre più accurate, offrendo una vista ancora più ricca del mondo microscopico dentro le nostre cellule.