Anlässlich des diesjährigen Nobelpreises für Chemie haben wir eine Infografik erstellt, die die Leistungen von Dr. David Baker im Bereich des computergestützten Proteindesigns detailliert darstellt. Dr. Baker teilt sich den Preis mit Demis Hassabis und John M. Jumper von DeepMind, die für ihre Fortschritte bei der Vorhersage von Proteinstrukturen ausgezeichnet wurden. Sehen Sie sich diekostenlosen, vollständig bearbeitbaren Vorlagenunten an.

Ein besonderer Dank geht an Ian C. Haydon, Leiter der Kommunikationsabteilung an der University of Washington und Kommunikationsverantwortlicher für Dr. David Baker & das Baker Lab, für die Zusammenarbeit an dieser Infografik!

Die Wissenschaft des maßgeschneiderten Proteindesigns

David Bakers Weg zum maßgeschneiderten Proteindesign begann mit einer einfachen, aber wirkungsvollen Frage: Wie können wir die Proteinfaltung vorhersagen und steuern? Proteine falten sich in komplexe 3D-Strukturen, die ihre Funktion bestimmen. Doch das Design von Proteinen mit spezifischen Funktionen – die so in der Natur nicht vorkommen – ist eine große Herausforderung.¹.

Bakers Labor widmete sich zunächst der Vorhersage von Proteinstrukturen durch die Entwicklung des Rosetta-Programms, das es Forschern ermöglicht, Proteinformen aus Aminosäuresequenzen vorherzusagen. Mit zunehmender Rechenleistung integrierte Bakers Team KI, um Geschwindigkeit und Genauigkeit zu verbessern. Darauf aufbauend verlagerte das Labor den Fokus auf das Design völlig neuer Proteine von Grund auf.^1,2, wobei Tools wie RFdiffusion eingesetzt werden, um neuartige Sequenzen mit Funktionen zu erstellen, die in der Natur bisher unbekannt waren.

RFdiffusion in der Praxis

RFdiffusion ist ein hochmodernes Modell für das Design neuer Proteine. Es baut auf RoseTTAFold auf, einem Tool zur Strukturvorhersage, und adaptiert es für das sogenannte Denoising – einen Prozess, der Proteinvorhersagen verfeinert.³. RoseTTAFold unterstützt RFdiffusion dabei, indem es das ursprüngliche Modell schrittweise lenkt, bis es schließlich in neu konzipierten Proteinformen konvergiert.³. 

Die Vielseitigkeit und Effektivität von RFdiffusion wurde durch den Erfolg beim Design einer breiten Palette von Proteinen bewiesen, darunter symmetrische Anordnungen, metallbindende Proteine und zielgerichtete Binder.⁴. Der Prozess umfasst drei wesentliche Schritte: zufälliges Rauschen, iteratives Denoising und die finale Assemblierung.

Ein Zeitstrahl der bahnbrechenden Proteindesigns von David Baker

David Bakers Pionierarbeit im Bereich des de novo Proteindesigns hat zu mehreren bahnbrechenden Innovationen geführt:

• Top7 (2003): Das erste de novo-designte Protein, Top7, das 2003 in David Bakers Labor entwickelt wurde, markierte einen Durchbruch im Proteindesign.⁵Dieses vollständig synthetische Protein wies eine einzigartige, in der Natur nicht vorkommende Struktur auf. Dies unterstreicht das Potenzial des computergestützten Designs und ebnet den Weg für zukünftige Innovationen bei maßgeschneiderten Proteinen in Wissenschaft und Medizin.
• Antivirales Protein gegen Influenza (2011): Bakers Team entwickelte ein Protein, das an das Hämagglutinin des Influenza-Virus von 1918 bindet, und demonstrierte damit das Potenzial künstlich hergestellter Proteine bei der Bekämpfung von Virusinfektionen.⁶.
• Selbstorganisierendes Protein-Nanopartikel (2016): Die Entwicklung eines selbstorganisierenden ikosaedrischen Proteinkäfigs bewies die Fähigkeit, komplexe Nanostrukturen mit spezifischen Geometrien und Funktionalitäten zu entwerfen.⁷.
• SARS-CoV-2-Mini-Protein-Inhibitoren (2020): Als Reaktion auf die COVID-19-Pandemie entwickelte Bakers Labor Mini-Proteine, die das Spike-Protein von SARS-CoV-2 hemmen. Dies unterstreicht die schnelle Anpassungsfähigkeit des Proteindesigns bei der Bewältigung neu auftretender Gesundheitsbedrohungen.⁸.‍
• Erweiterbare Protein-Nanofasern (2023): Das Design erweiterbarer Wiederholungsproteine, die in der Lage sind, hexamerische Anordnungen mit steuerbaren Geometrien zu bilden, eröffnet neue Möglichkeiten in der Materialwissenschaft und Nanotechnologie.⁹.

Diese Durchbrüche zeigen, wie das Proteindesign die Medizin, die Biotechnologie und die Materialwissenschaft verändert. Die bahnbrechenden Innovationen von David Baker sowie der Nobelpreis für Chemie 2024, der an Dr. Demis Hassabis und Dr. John M. Jumper für AlphaFold verliehen wurde, unterstreichen die Kraft des Deep Learning und vielfältiger Ansätze bei der Förderung der Proteinforschung.

Sie möchten Ihre eigene Infografik erstellen? Lesen Sie weiter! Wir gewähren Ihnen einen Blick hinter die Kulissen und zeigen Ihnen Tipps und Tricks, wie Sie mit BioRender ganz einfach Ihre eigene beeindruckende Infografik gestalten können.

Hinter der Infografik: Visuelle Geschichten gestalten, die überzeugen

Bei der Gestaltung von Infografiken in BioRender verfolgen wir zwei Ziele: 1) die wissenschaftlichen Inhalte präzise darzustellen und 2) sie visuell ansprechend und leicht verständlich zu machen. Beides zu erreichen kann eine Herausforderung sein, besonders wenn viele Informationen untergebracht werden müssen (wie bei der obigen Infografik). Aber mit dem richtigen Ansatz können auch Sie das meistern.

Hier erfahren Sie, wie wir die Nobelpreis-Infografik zum Leben erweckt haben – und wie Sie das Gleiche tun können.

Ein klares, dynamisches Layout aufbauen

Bei komplexen Darstellungen wie Infografiken ist ein durchdachtes Layout besonders wichtig, da es für Ordnung und Lesbarkeit sorgt, anstatt den Betrachter zu überfordern oder zu verwirren. Um ein klares, dynamisches Layout für unsere Nobelpreis-Infografik über maßgeschneidertes Proteindesign zu erstellen, sind wir drei Grundprinzipien gefolgt:

1. Die Puzzleteile der Geschichte zusammenfügen. Um eine fesselnde Infografik über die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Proteindesign-Technologie zu erstellen, haben wir folgende Elemente eingebunden: einen auffälligen Titel, eine Aufschlüsselung des Computer-Tools RFdiffusion, zukünftige Spitzenanwendungen sowie eine Zeitleiste, die die Entwicklung des Proteindesigns skizziert. Mit diesen Komponenten im Hinterkopf haben wir sie in einer klaren Lesereihenfolge angeordnet, die einen natürlichen Fluss aufweist.
   
2. Das visuelle Hauptelement hervorheben. Wir haben der Proteinvisualisierung von Top7 – dem ersten jemals entworfenen Protein – die zentrale Bühne gegeben, indem wir ausreichend Platz darum gelassen und es deutlich größer als die anderen visuellen Komponenten gestaltet haben. Zudem haben wir die Top7-Grafik so positioniert, dass sie den Bereich der Mechanismen und die Zeitleiste kompositorisch miteinander verbindet.‍
3. Dichte mit Freiraum in Einklang bringen. Da wir mehrere textlastige Bereiche (wie den Abschnitt „RFdiffusion in Action“) sowie viele leuchtende Farben (wie in der Zeitleiste) hatten, haben wir das Layout optimiert, um sicherzustellen, dass jedes wichtige Element der Geschichte genügend Raum zum Atmen hat.

Gefällt Ihnen dieses Layout?Wir haben es in eine BioRender-Vorlage verwandelt – probieren Sie es selbst aus! Klicken Siehierhier, um die Vorlage zu verwenden.

Das gewisse Extra für Ihre Visualisierungen

Wissenschaftliche Infografiken erzählen große Geschichten und sind von Natur aus inhaltsdicht. Was sie von anderen inhaltsdichten Formaten (z. B. wissenschaftlichen Postern) unterscheidet, istvisueller Kontrast als Leitmotiv.

Visueller Kontrast durchzieht alle Aspekte eines effektiven Infografik-Designs, wie etwa Maßstab (groß vs. klein), Darstellung (realistisch vs. schematisch), Raum (offene vs. dichte Abschnitte) sowie Farbe und Ton (Wahl von Farbton, Sättigung und Tonwerten). Für unsere Infografik zum Chemie-Nobelpreis haben wir uns dieses Themas bei der Gestaltung des Herzstücks bedient: einer auffälligen 3D-Visualisierung des ersten de novo Proteindesigns – Top7:

• Darstellung und Farbe: Wir wollten, dass die Leser einen Blick in die molekulare Struktur des Top7-Proteins werfen können. Um dies zu erreichen, haben wir das PDB-Plugin von BioRender verwendet, um mühelos mehrere 3D-Renderings von Top7 aus derselben Perspektive zu erstellen – sowohl in Cartoon- als auch in Oberflächen-Darstellung. Anschließend haben wir diese Renderings mit BioRender-Funktionen wie Farbüberlagerung, Leuchteffekten und Transparenz bearbeitet und übereinandergelegt, um den finalen „Röntgen“-Effekt zu erzielen.
  
• Maßstab und Komposition: Die Top7-Grafik wurde im Vergleich zu den anderen synthetischen Proteinen in der Zeitleiste deutlich größer skaliert. Dieser Größenkontrast sowie die leuchtenden Farben, die sich vom dunklen Hintergrund abheben, ziehen die Aufmerksamkeit des Betrachters ganz natürlich auf sich.‍
• Die Verbindung zum Rest: Wir haben das Top7-Bild dann visuell mit den anderen Elementen der Infografik verknüpft, indem wir spezifische grafische Gestaltungselemente hinzugefügt haben – zum Beispiel Linien, die es mit der darunter liegenden Zeitleiste verbinden, und einen schwarzen Kreis, der die Proteinstruktur umschließt. Auf diese Weise dient Top7 zwar als visuelles Herzstück, ist aber dennoch nahtlos in das Gesamtdesign integriert.

Sie wissen nicht, wo Sie bei der Erstellung Ihrer zentralen Grafik anfangen sollen? Probieren Sie eines unserer BioRender-Icon-Pakete als Ausgangspunkt aus! Hier ist eine Sammlung unserer Symbole für Proteinstrukturen, die Sie bei der Erstellung Ihrer Abbildung unterstützen soll. 

Jede Abbildung ist eine Geschichte, die darauf wartet, erzählt zu werden. Fragen Sie sich zu Beginn:Was ist die Kernbotschaft, die ich vermitteln möchte? Dies bestimmt Ihre Designentscheidungen – von den wichtigsten Grafiken, die Sie einbinden, bis hin zur Art und Weise, wie Sie Ihre Informationen strukturieren. Mit Tools wie BioRender und einem durchdachten Ansatz können Sie Ihre wissenschaftliche Geschichte zum Leben erwecken.

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