Biomolekulare Strukturen und Wechselwirkungen
Projektziel: Vermittlung von Strukturinformationen und Wechselwirkungen in biomolekularen Komplexen durch VR und AR
Status: aktiv bis 07/2024
Vorhaben
Biologische Makromoleküle, wie Proteine oder Nukleinsäuren, und deren Wechselwirkungen mit Wirkstoffen oder anderen niedermolekularen Liganden sind im Studium der Pharmazie, Biochemie und Medizinischer Chemie von zentraler Bedeutung. Die räumliche Struktur dieser aus Tausenden von Atomen aufgebauten Makromoleküle ist hochkomplex, bestimmt aber ganz wesentlich ihre Funktion und die Möglichkeiten zur Interaktion mit Liganden, die diese Funktion modulieren. Zur Komplexität kommt hinzu, dass die Strukturen sowohl der Makromoleküle als auch der Liganden dynamischen Veränderungen unterliegen und sich bei Interaktion auch wechselseitig aneinander anpassen können.
Für ein tieferes Verständnis zahlreicher biochemischer und pharmakologischer Phänomene ist es essenziell, sich in diesen Strukturen und Wechselwirkungen zurechtzufinden. Dies betrifft beispielsweise die Frage, wo und wie ein Arzneistoff an einen Rezeptor bindet und welche Interaktionen die molekulare Erkennung, die Selektivität und die Aktivität bzw. Wirkstärke bestimmen. Im Wirkstoffdesign geht es darüber hinaus darum, diese Wechselwirkungen durch neue Moleküle bzw. Molekülteile zu verbessern und geeignete Angriffspunkte für Wirkstoffe an einen Rezeptor zu finden.
Die üblichen zweidimensionalen Darstellungen, die sich in Lehrbüchern finden und auch in Lehrveranstaltungen verwendet werden, sind entweder stark vereinfacht oder stellen beträchtliche Anforderungen an das räumliche Vorstellungsvermögen. Software zur Visualisierung komplexer molekularer Strukturen gibt es zwar, doch ist deren Einbindung in Lehrveranstaltungen und Bereitstellung zur persönlichen Nutzung durch Studierende häufig unpraktikabel oder mit zusätzlichen Schwierigkeiten verbunden.
Ziel des Projektes ist es daher, die Integration von interaktiven 3D-Strukturmodellen in die Lehre zu erleichtern bzw. zu verbessern und dadurch in manchen Fällen überhaupt erst zu ermöglichen.
Mit Hilfe von AR-Applikationen sollen Studierende in Vorlesungen die Möglichkeit erhalten, molekulare Objekte unmittelbar und interaktiv dreidimensional darstellen und analysieren zu können. Den Lehrpersonen sollen einfache und rasch umsetzbare Workflows zur Verfügung gestellt werden, um die erforderlichen Molekülstrukturen in der didaktisch gewünschten Form in die Lehrveranstaltung einzubinden. Für Lehrveranstaltungen im fortgeschrittenen Bereich sollen über VR-Anwendungen Einblicke in immersives Wirkstoffdesign ermöglicht werden. Dadurch werden biomolekulare Strukturen und Wechselwirkungen nicht nur unmittelbar „erfahrbar“, sondern darüber hinaus auch interaktiv und dynamisch veränderbar. Auf diesem Weg lassen sich in unübertrefflicher Anschaulichkeit molekulare Wechselwirkungen optimieren, Bindestellen von Wirkstoffen in Proteinen identifizieren und neuartige Wirkstoffmoleküle entwerfen. Eine derartige Lehr- und Lernumgebung eröffnet Lehrenden und Studierenden neue Wege und erweitert die Spielräume der Wissensvermittlung.
