Rechenkraft.net Molecular AR Environment

Projektbeschreibung

Das Rechenkraft.net Molecular AR Environment erlaubt die interaktive Augmented Reality (AR) gestützte Visualisierung komplexer molekularer Zusammenhänge im multipersonellen Face-to-Face Besprechungsformat. Das bedeutet in der Praxis, dass man mit mehreren Personen an einem Arbeitstisch platznehmen kann, um gemeinsam auf einer speziellen faltbaren Arbeitsoberfläche ein computererzeugtes, für alle Teilnehmer aus der jeweils individuellen Perspektive sichtbares 3D-Hologramm zu betrachten. Dabei schauen die Teilnehmer durch eine leichte, durchsichtige Projektorbrille, die über ein USB 3.0 Kabel direkt an den Steuercomputer (z.B. ein halbwegs moderner Laptop) oder einen USB 3.0 Hub angeschlossen ist. Das Besondere an diesem System ist die Möglichkeit, nicht nur die molekularen Objekte, sondern gleichzeitig auch die Kollegen zu sehen und mit ihnen interagieren zu können. Die Raumumgebung wird also uneingeschränkt erfasst - ganz im Gegensatz zu aktuellen Virtual Reality Systemen, bei denen die Teilnehmer in einer völlig von der Außenwelt abgeschlossenen Umgebung agieren.

Das System basiert auf der - von uns sozusagen "zweckentfremdeten" - TiltFive AR Spiele-Hardware und dem zugehörigen SDK für Unity. Wir setzen darüber hinaus die Molekülvisualisierungssoftware ChimeraX der UCSF ein, um molekulare Strukturen für die Visualisierung im Rechenkraft.net Molecular Augmented Reality Environment aufzubereiten.

Nach unserem Kenntnisstand stellt diese sehr einfach aufgezogene Arbeitsumgebung aktuell das weltweit kostengünstigste und gleichzeitig interessanteste AR-System für molekulare Visualisierungen dar. Es läßt sich wunderbar für Forschungs- und Entwicklungsprojekte im professionellen Bereich einsetzen, ist aber ebenso geeignet, um im Rahmen von universitären Lehrvorhaben und des regulären Schulunterrichts für ein eindrucksvolles Erlebnis und ein tiefgreifendes Verständnis molekularer Strukturen zu sorgen.

Aktuelle Aktivitäten

Die derzeitige Version erlaubt interaktive 3D-Visualisierungen beliebiger molekularer Strukturen und Mehrkomponentenstrukturkomplexe, bei denen Rotationen und Translationen um bzw. entlang der xyz-Achsen sowie dynamische Größenanpassungen möglich sind. Inzwischen arbeiten wir an einer Weiterentwicklung, um unabhängiger von externer Vorbereitungssoftware molekulare Manipulationen auch innerhalb der eigentlichen AR-Arbeitsumgebung zu ermöglichen.

Aktuell bereiten wir einen größeren Satz an Lehrpaketen für Lehrer und Dozenten vor, die den gesamten molekülrelevanten Stoff der Schulen in den Fächern Chemie und Biologie abdecken und zumindest auch für die Grundvorlesungen an Universitäten einsetzbar sein sollen. Die Pakete können dann themenbezogen kostenfrei heruntergeladen, für den Unterricht direkt eingesetzt oder in Eigenarbeit individuell aufbereitet werden. Ein kleiner Einblick in die Möglichkeiten findet sich unten auf dieser Seite in Form einiger Beispiel-Movies.

Seit Dezember 2024 ist unser System an der Justus-Liebig-Universität Giessen im Einsatz. Auch die Richtsberg Gesamtschule in Marburg hat sich einige Systeme zugelegt, um diese künftig im Unterricht einsetzen zu können. Dort werden wir Anfang 2025 auch einen kleinen Einführungskurs für das Lehrpersonal anbieten.

Am 12.02.2025 wurde von der JLU/HessenHub/HMWK ein Förderantrag zur Entwicklung von Hochschulkursmaterial bewilligt, der zum Ziel hat Kursteilnehmer dazu zu befähigen, HoloDeck zur Entwicklung eigener Lehr- bzw. Lernmaterialien zu befähigen. Seit dem 08.04.2025 ist hierzu auch eine zusammenfassende HessenHub-Projektwebseite verfügbar.

Inzwischen läuft unser System auch unter Linux und wurde unter Ubuntu 24.04 LTS vom 22.-23.03.2025 auf den Chemnitzer LinuxTagen (CLT2025) an einem Rechenkraft.net Stand präsentiert.

Nach der Entdeckung von Michael Weber, dass das Unity-Software-Framework unter bestimmten Bedingungen automatisch eine Stereoinversion des betrachteten 3D-Objekts im AR-Raum vornimmt, konnte am 16.02.2025 eine automatisierte Methode etabliert werden, Proteine ab sofort auch gezielt als Enantiomerenpaar darzustellen - inkl. Export sämtlicher Atomkoordinaten- und Bindungskonversionen zur weiteren Bearbeitung mit externer Fachsoftware.

Am 08.04.2025 präsentierten wir HoloDeck in der AG von Prof. Umesh Varshney am Indian Institute of Science (IISc) in Bangalore/Indien, wo wir neben einigen eigenen Materialien auch vorbereitete Strukturen aus den Arbeiten von Prof. Varshney zeigen konnten und sogar vor Ort die Durchführung individueller Anpassungen demonstrierten. Ein paar Fotos hierzu finden sich unten in der SocialMedia Rubrik.

Entwickler

Das Rechenkraft.net Molecular AR Environment ist ein Rechenkraft.net-Projekt unter der Leitung von Dr. Michael H.W. Weber, das programmiertechnisch im Rahmen eines dreimonatigen Medieninformatik-Bachelorpraktikums von Lukas Sandhop (Rechenkraft.net / Hochschule Harz) realisiert werden konnte.

Publikation

Eingereicht.

Quellcode

Der Quellcode und die Executables werden nach akzeptierter Fachpublikation freigegeben. Wir planen, das gesamte System kostenfrei unter einer offenen Lizenz verfügbar zu machen, damit es maximal nutzbar ist und möglichst breit weiterentwickelt werden kann.

Verfügbare Materialien von unseren Präsentationen

IdeenExpo (2024)

IdeenExpo 2024 Visitenkarte
Video-Demo des Rechenkraft.net Molecular Augmented Reality Environments (1. Prototyp)
auf der IdeenExpo 2024 präsentierte Demo-Strukturen:
- Alpha-Variante des trimeren SARS-CoV-2 Spikeproteins (PDB # 7LWV, vgl. folgende Fachpublikation)
- Trimer des SARS-CoV-2 Spikeproteins im Komplex mit drei Mini-Inhibitormolekülen, die das Andocken an den ACE2-Rezeptor blockieren und das Ergebnis eines CitizenScience-Projekts des DistributedComputing Projekts Rosetta@home sind (PDB # 7JZL, vgl. folgende Fachpublikation)
- SARS-CoV-2 RNA-abhängige RNA-Polymerase beim Replikationsprozess (PDB # 6YYT, vgl. folgende Fachpublikation)
- Salmonella enterica typhimurium Injektisom: Injektionsnadelkomplex des Typ III Sekretionsapparats mit dem Salmonella Bakterien Effektorproteine in Zielzellen injizieren können (PDB # 7ah9, vgl. folgende Fachpublikation)
- Schistosoma mansoni Aldehyd-Dehydrogenase (ALDH) Tetramer-Modell, das als Ziel neuer Wurmwirkstoffentwicklungen dient (generiert mit AlphaFold2 gemäß folgender Fachpublikation)

Chemnitzer LinuxTage (2025)

auf den Chemnitzer LinuxTagen 2025 präsentierte Demo-Strukturen:
- Blockade der RNA-Polymerase II durch das Toxin (α-Amanitin) des grünen Knollenblätterpilzes (PDB # 6EXV, vgl. folgende Fachpublikation)
- Wirkung von Coffein durch Besetzung des Adenosin-Rezeptors (PDB # 3RFM, vgl. folgende Fachpublikation)
- AlphaFold3-Strukturmodell der putativen Metzincin-Metalloprotease HomB aus Helicobacter pylori J99 (laufende Forschungsarbeiten in der AG um Prof. Falcone an der JLU Giessen)
- putative Bindung von HomB an den humanen PAR2-Rezeptor (AlphaFold3-Strukturmodell, laufende Forschungsarbeiten in der AG um Prof. Falcone an der JLU Giessen)
- Tetracyclin (Antibiotikum) im Komplex mit der putativen Metzincin-Metalloprotease HomB aus Helicobacter pylori J99 (Molecular Docking-Komplex, erzeugt mit Boltz-1 (GitHub | Preprint), basierend auf laufenden Forschungsarbeiten in der AG um Prof. Falcone an der JLU Giessen)
- Bindung der schweren Kette des Allergie-vermittelnden Antikörpers IgE an seinen hochaffinen IgE-Rezeptor (PDB # 1F6A, vgl. folgende Fachpublikation)
- natürlich haben wir auch einige der Modelle gezeigt, die wir schon im vergangenen Jahr auf der IdeenExpo 2024 präsentiert hatten

Indian Institute of Science (IISc), Bangalore/India, AG Prof. Varshney (2025)

DNA-Reparatur durch die Uracil DNA Glycosylase (PDB # 6AJO, vgl. folgende Fachpublikation)

Möglichkeiten zur Projektunterstützung

Wenn Ihnen dieses Projekt und/oder unser Engagement für CitizenComputing und CitizenScience gefällt, können Sie unsere Arbeit jederzeit gern mit einer Spende unterstützen - unser Verein ist als gemeinnützig anerkannt, sodass wir Ihnen auf Wunsch auch eine steuerabzugsfähige Spendenquittung ausstellen können. Hier finden Sie unser Spendenkonto. Darüber hinaus sind jederzeit auch Vereinmitgliedschaften möglich, um Teil unserer Community und ihrer Projekte zu werden. Der Mitgliedschaftsantrag findet sich hier.