Medikamente und Werkstoffe mit VR schneller entwickeln

Wissenschaftler an der Universität Bristol haben cloud-basierte VR-Lösungen  vorgestellt, die Forschung und Industrie bei der Entwicklung neuer Medikamente und Werkstoffe unterstützen und die Lehre in der wissenschaftlichen Chemie verbessern sollen.

Ein Gruppe von Informatikern und Chemikern hat gemeinsam mit Entwicklern des Start-ups Interactive Scientific und der Oracle Corporation und mit Hilfe von Oracles Cloud-Infrastruktur Echtzeitsimulationen auf molekularer Ebene mit aktueller VR-Technik kombiniert.

Somit konnten die Entwickler die Moleküle gleichsam anfassen, sie falten, verknoten , daran zupfen und ihre Form verändern, um zu testen, wie sie interagieren. Mit Cloud-Computing können mehrere Personen in demselben virtuellen Raum und zur selben Zeit mit den Molekülen arbeiten.

Die Industrie zeigt sich interessiert an dieser Möglichkeit, VR-Lösungen einzusetzen, lassen sich doch die Entwicklung von Medikamenten oder die Darstellung chemischer Strukturen und Dynamiken im Rahmen der Lehre auf diese Weise verbessern. Für die Studie, veröffentlicht in Science Advances, hatte die Gruppe eine Reihe von Aufgaben auf molekularer Ebene konzipiert, welche die Teilnehmer herkömmlich mit Maus und Tastatur, mit Touchscreens und in der virtuellen Realität lösen sollten. Dabei galt es, ein kleines Molekül durch ein Nanoröhrchen zu führen, den Drehsinn einer organischen Helix zu ändern und ein fadenförmiges Protein einfach zu verknoten.

Mit VR schwierige Aufgaben deutlich schneller meistern

Wer die beschriebenen Aufgaben selbst ausprobieren will, kann die Software unter https://isci.itch.io/nsb-imd herunterladen und eine eigene Session in der Cloud starten. Bei komplexen 3D-Aufgaben zeigte sich die VR-Lösung klar im Vorteil und die Wahrscheinlichkeit, dass die Teilnehmer in schwierigen Aufgaben wie dem Verknoten erfolgreich waren, lag um das Zehnfache höher.

Adrian Mulholland, Professor für Chemie an der Universität Bristol, sagt: „Chemiker haben schon immer Molekülmodelle erstellt, um die Struktur zu verstehen – wie Atome verbunden sind bis hin zur DNA-Doppelhelix von Watson und Crick. An irgendeinem Punkt ihrer Schulzeit haben die meisten Leute schon einmal ein Modell eines Moleküls aus Plastik oder Metall in Händen gehalten. Solche Modelle sind besonders wichtig für Dinge, die wir nicht sehen, wie die Welt der Moleküle auf der Nanoebene

Mit dieser Forschungsarbeit können wir nun die virtuelle Realität dafür einsetzen, eine Vielfalt molekularer, naturgemäß dynamischer Probleme zu studieren, etwa die Bindung von Medikamenten an ihren Zielort, die Faltung von Proteinen und chemische Reaktionen. Mit schnelleren Simulationen gelingt uns das jetzt in Echtzeit, und das wird die Entwicklung von Medikamenten und die Darstellung chemischer Strukturen verändern.“

Dr. David Glowacki, ein weiterer Autor und Royal Society Research Fellow, fügt hinzu: „Indem wir VR einsetzen, um die molekulare Struktur und Dynamik zu verstehen, können wir gleichsam chirurgische Operationen auf der Nanoebene vornehmen. Das erlaubt Wissenschaftlern die dynamische ‚Anmutung‘ bestimmter molekularer Systeme intuitiv zu erfassen. In der Medizin gilt es seit Jahren als ausgemacht, dass mit VR vertraute Chirurgen Eingriffe schneller vollenden als jene ohne VR-Erfahrung, und das mit geringeren Fehlerquoten. Auch deshalb denke ich, dass es interessant ist, diese Technologie zum Verständnis von Systemen im Nanomaßstab heranzuziehen.“

Michael O’Connor, Informatik-Doktorand und einer der Hauptautoren des Papers führt aus: „Ein Molekül zu verknoten ist eine schwierige 3D-Aufgabe. Typischerweise manipuliert man ein Molekül, indem man ein Programm schreibt,  das es in die gewünschte Richtung schiebt. Für eine derart komplizierte Aufgabe wäre es jedoch sehr schwierig, ein entsprechendes Programm zu schreiben.“ Knoten seien in physiologischer Hinsicht interessant, denn hunderte Proteine existieren in verknoteten Formen, und herauszufinden, warum, erweise sich als Puzzle. Mit VR könne man dieses Strukturen nun erkunden und einfach selbst herstellen.  

Phil Bates, ein Entwickler bei Oracle Cloud, verweist auf die Vorteile der Cloud-Lösung, die es ermögliche, dass Wissenschaftler in Echtzeit und weltweit an komplexen Molekülmodellen und Simulationen arbeiten. Dies sei früher nur mit spezialisierten Hochleistungsrechnern möglich gewesen.

Literatur:  'Sampling molecular conformations and dynamics in a multi-user virtual reality framework' von Michael O’Connor, Helen M. Deeks, Edward Dawn, Oussama Metatla, Anne Roudaut, Matthew Sutton, Becca Rose Glowacki, Rebecca Sage, Philip Tew, Mark Wonnacott, Phil Bates, Adrian J. Mulholland and David R. Glowacki in Science Advances.

0
RSS Feed

Hat Ihnen der Artikel gefallen?
Abonnieren Sie doch unseren Newsletter und verpassen Sie keinen Artikel mehr.

Mit einem * gekennzeichnete Felder sind Pflichtfelder!

Neuen Kommentar schreiben

Entdecken Sie die Printmagazine des WIN-Verlags