Het Zika-virus explodeerde vorig jaar op het wereldtoneel toen gezondheidsfunctionarissen begonnen te vermoeden dat het geboorteafwijkingen bij baby's kon veroorzaken. Net als de ebola-epidemie in 2014 nam de angst snel toe. De vernietiging veroorzaakt door de ziekte is zeer verontrustend, deels omdat de besmettingsdeeltjes onzichtbaar zijn.
Iets zichtbaar maken is er een betere grip op krijgen, het beter beheersbaar maken. In maart van dit jaar brachten Michael Rossmann van Purdue University in Indiana en zijn collega's in kaart wat Meghan Rosen voor Science News omschreef als de "hobbelige, golfbalvormige structuur" van Zika. Met de structuur afgeleid, hebben wetenschappers nu een startpunt om te leren hoe het virus werkt en of het kan worden gestopt. Onderzoekers gaan op zoek naar punten in de structuur die mogelijk een doelwit vormen voor een medicijn.
In die geest, maar met een meer artistieke draai, heeft een andere wetenschapper een beeld geschetst van hoe het eruit zou kunnen zien wanneer Zika een cel infecteert.
De waterverf van David S. Goodsell toont een gebied van ongeveer 110 nanometer breed, meldt Maggie Zackowitz voor NPR . Dat is bijna 1000 keer kleiner dan de breedte van een typisch mensenhaar. In het schilderij is een roze bol die het virus voorstelt in tweeën gesneden om klitten van het virale genetische materiaal te onthullen. Vlezige uitsteeksels op het oppervlak van het virus grijpen groene torens ingebed in een lichtgroene curve die een wirwar van blauw lijkt te omsluiten. De oppervlakte-eiwitten van het virus binden zich aan receptoren op het oppervlak van een cel die het snel zal infecteren.
Dodelijke virussen zagen er nog nooit zo mooi uit als onder de borstel van Goodsell. De moleculair bioloog met gezamenlijke benoemingen bij het Scripps Research Institute in La Jolla, Californië en Rutgers State University in New Jersey, schildert felgekleurde en squishy uitziende vormen die lijken op jellybeans, voetballen en spaghetti die samen menigte en rommelig zijn. Als abstracte beelden zijn ze prachtig, maar het werk van Goodsell staat ook stevig verankerd in de wetenschap.
De wetenschapper-kunstenaar maakt een aantal weloverwogen gissingen voor zijn schilderijen. "Sommige objecten en interacties zijn zeer goed bestudeerd en andere niet", legt hij uit. "De wetenschap is nog steeds een groeiend veld." Maar zijn expertise laat hem de kwast met vertrouwen hanteren.
Het visualiseren van de microscopische biologische wereld intrigeerde Goodsell voor het eerst op de graduate school, toen hij vertrouwde op technieken zoals röntgenkristallografie om de plooien, wendingen en vervormingen van eiwitten en nucleïnezuren af te leiden.
Structuur is de sleutel om moleculen in cellen hun functie te geven, of het nu enzymen zijn die andere moleculen splitsen, RNA-strengen die eiwitopbouw instrueren of de vezels die weefsels ondersteunen en vormen. Zakken in eiwitten bieden plekken waar andere moleculen kunnen binden en reacties kunnen katalyseren of voorkomen. Toen Rosalind Franklin erin slaagde de eerste foto van DNA te maken met behulp van röntgenkristallografie, konden James Watson en Francis Crick snel afleiden hoe het uitpakken van de dubbele helix een sjabloon kon bieden voor replicatie van genetisch materiaal.
"Als je buiten een auto staat en de motorkap is gesloten, zodat je de motor niet kunt zien, heb je geen idee hoe de machine werkt", zegt Stephen K. Burley, een onderzoeker die proteomica studeert aan Rutgers University. Cellen zelf zijn kleine, complexe machines, en inzicht in hoe ze werken of welke onderdelen en processen mislopen onder invloed van ziekte, vereist een kijkje onder de motorkap.
Daarom moest Goodsell begrijpen hoe moleculen werden gevormd en hoe ze in elkaar passen in de cel.
Computergrafieken drongen halverwege de jaren tachtig door in de scene van het onderzoekslaboratorium en gaven wetenschappers als Goodsell, nu 55, een ongekende kijk op de moleculen die ze bestudeerden. Maar zelfs de beste programma's hadden moeite om alle fijne kneepjes van een enkel molecuul te laten zien. "Objecten ter grootte van een eiwit waren een echte uitdaging", zegt hij. Het visualiseren van meerdere eiwitten en hun plaats ten opzichte van cellulaire structuren ging op dat moment verder dan de hardware- en softwaremogelijkheden.
"Ik zei tegen mezelf: hoe zou het eruit zien als we een deel van de cel zouden kunnen opblazen en de moleculen kunnen zien?" Goodsell zegt. Zonder de krachtige grafische computermogelijkheden van vandaag, wendde hij zich, letterlijk, naar de tekentafel om alle stukjes kennis over de structuur die hij kon op te bouwen en dat beeld te creëren van het drukke interieur van een cel. Zijn doel was "om terug te keren naar het grote geheel van de wetenschap", zegt hij.
De afbeeldingen die hij maakt zijn bedoeld als wetenschappelijke illustraties, om onderzoekers en het grote publiek te inspireren om na te denken over de structuren die ten grondslag liggen aan chemische reacties en de functies van cellen.
Meestal besteedt Goodsell een paar uur aan het doorzoeken van wetenschappelijke literatuur om alles te leren wat onderzoekers weten over het onderwerp dat hij wil illustreren. Vervolgens maakt hij een grote potloodschets op basis van wat hij heeft geleerd. Carbonpapier helpt hem die schets over te brengen op waterverfpapier. De moleculen in cellen zijn vaak kleiner dan de golflengte van licht, dus een waar beeld van een moleculair landschap zou kleurloos zijn, maar Goodsell voegt kleur en schaduw toe om mensen te helpen zijn schilderijen te interpreteren. Het resultaat is een gedetailleerd overzicht van moleculaire machines op het werk.
In een schilderij van Ebola ziet het virus er bijvoorbeeld uit als een enorme worm die zijn hoofd opsteekt. Het virus heeft de componenten van een celmembraan gestolen van een geïnfecteerde cel, afgebeeld in lichtpaars, schrijft Goodsell voor de online bron, de RCSB's Protein Data Bank (PDB). Turkooise broccolikoppen die de buitenkant van dat membraan stucwerk zijn glycoproteïnen, die op het oppervlak van een gastheercel kunnen klinken en het virale deeltje zo dicht kunnen trekken dat het genetische materiaal (in geel, beschermd door de groene nucleoproteïne) naar binnen kan worden geschoven. Die glycoproteïnen zijn een belangrijk doelwit geweest voor geneesmiddelen om het virus te bestrijden.
Het schilderij won dit jaar de Wellcome Image Awards, een wedstrijd die experts op het gebied van wetenschappelijke illustratie en visualisatie uit de hele wereld aantrekt.
Het Ebola-schilderij en vele andere afbeeldingen van Goodsell leven op het VOB, onder toezicht van Burley, de directeur van de repository. De PDB bevat meer dan 119.000 structuren van eiwitten, RNA, DNA en andere moleculen. Een paar statistieken tonen aan hoe belangrijk structuur is voor biologen: er zijn elke dag ongeveer 1, 5 miljoen downloads van gedetailleerde 3D-structurele informatie van de gegevensbank. In de afgelopen vier jaar hebben mensen uit 191 van de 194 erkende onafhankelijke staten ter wereld toegang gekregen tot de bron.
In juli publiceert Goodsell zijn 200e "Molecule of the Month", een serie met zijn afbeeldingen van eiwitten en andere moleculen, samen met een schriftelijke uitleg van de functie en het belang van de structuren.
Het werk van Goodsell helpt middelbare scholieren en anderen te informeren over de structuren achter ziekteverwekkende deeltjes en gezondheidsproblemen in het nieuws. Voor de zogenaamde PDB-101-serie helpen zijn moleculen studenten de mechanismen achter type 2 diabetes of loodvergiftiging beter te begrijpen. Hij heeft een aankomend grootschalig schilderij dat de levenscyclus van het hiv-virus zal behandelen.
Zelfs de experts kunnen leren van de illustraties van Goodsell. Al vroeg herinnert hij zich dat hij rond het instituut was gegaan om zijn collega's te vragen hoe druk ze dachten dat een cel was. De schattingen die hij terugkreeg waren zeer verdund. Pas toen hij zich terugtrok om naar het grote geheel te kijken, werd het duidelijk dat cellen erg dicht en complex zijn.
"Ik ben me niet bewust van veel andere mensen die werken zoals [Goodsell]", zegt Burley. Het werk van Goodsell verenigt artistieke interpretatie en wetenschappelijke kennis. "Hij is in staat om meer van het verhaal van de 3D-structuur met de hand te vertellen dan met computergraphics. Dat is denk ik de echte schoonheid van zijn werk."
Het werk van Goodsell is te zien in de serie " Molecule of the Month " van de RCSB Protein Data Bank en op zijn website . Zijn website biedt ook meer informatie over enkele afbeeldingen in dit artikel.
