用动画可视化为科学家测试假说

How animations can help scientists test a hypothesis

Posted by Andln on February 13, 2015

关于作者

author Janet Lwasa 目前是犹他大学生物化学系的研究助理教授,主要研究方向就是分子过程的可视化。

她毕业于威廉姆斯学院的生物专业,这给她未来研究可视化分子过程提供了理论基础,并且在这个方面的成就相当突出,2012年曾获得快速企业杂志 的「一百位最具创造力的人」以及2014年外交政策杂志「全球领先的思想家」。另外她的教学也是与这个方面相关,甚至已经算是半个动画师了。从2007开始她就开设课程「基于maya的分子过程可视化」,在2010开设课程「基于3D动画的分子与细胞可视化」。

演讲概要

cover 传统图表对于复杂的分子运动刻画非常有局限性,二维的、静止的无法直观地表现这样的运动。而Janet Iwasa’s 则通过自学3维动画制作,结合自身的专业知识向我们呈现了一个五彩缤纷的分子世界。但由于3维动画软件学习曲线较高,授之以鱼不如授之以渔,Janet Iwasa在2014年上线了一款全新开源的动画软件 – Molecular Flipbook。

** TED视频链接 **

演讲内容

网格蛋白介导的内吞

细胞的内噬作用过程是细胞通过形成囊泡来「消化」自身的膜和外在的物质,膜出芽形成囊泡通常是由一层蛋白质介导的。目前研究标明,网格蛋白被证明在受体介导的内吞过程中产生作用。

lathrin-mediated Endocytosis

如上图描绘了网格蛋白介导的内吞过程,那个三条腿的分子就是网格蛋白,蛋白通过受体与外部细胞膜结合,相反在内也与受体结合,并触发形成一个由转铁蛋白包围的网格笼。这时,从图中可以看到网格笼可以慢慢「吸」入细胞膜囊泡,紫色的蛋白分子切断囊泡与细胞膜之间的连接,在这之后,网格笼基本完成它的使命,黄色和橙色的辅助蛋白-HSC70开始帮助拆卸网格蛋白。

MolecularAnimation1

细胞坏死过程

相对于细胞凋亡,即细胞的程序性死亡,细胞坏死一直以来被认为是表示细胞因为损伤而非正常死亡的过程。但是最近的研究表明一些细胞坏死的形成在使用分子信号通路的过程中常与细胞凋亡的调控网络交织在一起。这个过程被成为凋亡。

Necroptosis2

这个项目的目的就是对比细胞凋亡与细胞坏死的表型分析。在细胞坏死过程中,与凋亡最重要的区别是这个过程中细胞会膨胀且更透明,其原因是因为液体的进入,和质膜穿孔导致的细胞物质外漏。此外,细胞核,囊泡还有溶酶体在这个过程中也会变大。相反,细胞凋亡过程中,细胞则是缩小,伴随着大量气泡的质膜和线粒体的肿胀。

有大量的实验证据标明,同样的信号通路即介导了细胞的坏死也介导了细胞的凋亡。以下这个动画描绘了信号通路引导细胞的过程。 Necroptosis1

艾滋病生命周期

hiv_lifecycle1

该项目与CHEETAH财团NIGMS艾滋病病毒/艾滋病相关的结构生物学专业中心合作,目的是探求目前在分子机制下,艾滋病病毒如何进入与存在于宿主细胞内。

如图下图 描绘了艾滋病病毒的整个生命周期,与之相对的是3张动图,目前动画图的过程依然还在研究当中,在未来会进行更新、扩充或重新定义。

HIV-entry

Blocking-infection

HIV-maturation

关于软件

这个演讲最令人激动的无疑是,讲者认为一个研究者学习3D软件的成本极高,于是召集团队独立编写了一个简易分子动画软件Molecular Flipbook

这个软件目前支持Windows与Mac平台,是免费开源,设计目的是让一个研究人员在15分钟内上手,软件非常成功,也基本上达到目的。 Tool2

Molecular Flipbook是绿色的,无需安装,笔者也下载了该软件简单地体验了下,一个三维动画的制作过程可以简单分为3步,建模,动画,渲染。

  • 第一步是建模,该软件支持从PDB导入蛋白质模型,也支持简单蛋白质设置。
  • 第二步是动画,软件支持对模型的平移,旋转,颜色改变等操作,简单且恰到好处。在动画部分将关键帧的概念用幻灯片的形式表达,而每个幻灯片之间的时间默认为2秒,这点十分好,大大减少研究人员的理解难度。
  • 第三步是渲染,渲染的设置项也很简介,视频格式,视频大小,视频名字,还有草稿渲染选项,很贴心,经过测试,一个6秒的视频一分钟内就渲染完毕。

Tool

又是一个精彩的TED演讲,讲者为自己的行业行业创造了一种叙述语言,也为这个语言发明了一个工具,而这个工具将来也会很好地帮助研究人员发现新的研究课题。

经过这么多个可视化介绍,可视化影片自然有它优势,直观、观吸睛,色彩、音效、解说都能帮助人理解。但缺点也是显而易见的,观影是一个时间线性的过程,必须经过快进快退来反复观看吸收,而二维图像则像一个上帝视角,是非线性的,眼睛的快速扫描不仅能马上了解全貌,也能观察细节,同时也可以减少其他信息的干扰,能提高信息吸收的效率。

总的而言,这样的努力确实能有效帮助信息传达,可以应用于教学,讨论,展示等场景,更重要的是它也是一个很好的工具来启发新的研究,