Чтобы увидеть, могут ли развлечения предложить решение этой проблемы, Ингбер объединился с Чарльзом Рейли, доктором философии, молекулярным биофизиком, профессиональным аниматором и научным сотрудником Института Висса, который ранее работал над фильмом режиссера Питера Джексона Park Road Post. studio, чтобы создать фильм, который захватил бы воображение зрителей, рассказывая историю биологического процесса с точностью до атомарного уровня. «Мы с Доном быстро обнаружили, что у нас много общего, особенно в том, что мы оба системные мыслители», — говорит Рейли. «Применение художественного процесса к науке освобождает вас от типично редукционистского подхода к анализу одной конкретной гипотезы и учит вас новому способу наблюдения за вещами. В результате мы не только создали развлекательный инструмент для работы с общественностью, но и провели надежные теоретические биологические исследования. это привело к новому научному пониманию процессов молекулярного масштаба ». Исследование опубликовано в ACS Nano.Любому хорошему фильму нужны персонажи и драма, а также «крючок», чтобы зрители заинтересовались просмотром.
Ученые решили сделать пародию на трейлер фильма «Звездные войны», но вместо того, чтобы показывать крейсеры звездолетов, несущиеся в космос к «Звезде Смерти», они выбрали биологический процесс с его собственным встроенным повествованием: оплодотворение яйца сперма, в которой миллионы сперматозоидов стремятся к успеху и создают новое поколение жизни. Паттерны и механизмы плавания сперматозоидов были изучены и описаны в научной литературе, но визуальное отображение точного движения хвоста сперматозоидов требовало решения одной из самых сложных задач, стоящих перед наукой сегодня: как создать многомасштабную биологическую модель, сохраняющую точность разного размера, от ячеек до атомов. Это все равно, что начать с Эмпайр-стейт-билдинг, а затем увеличить масштаб достаточно близко, чтобы увидеть каждый отдельный винт, гайку и болт, которые удерживают его вместе, а также то, как отдельные молекулы воды текут внутри его труб, сохраняя при этом кристально чистое разрешение — задача не из легких.«Оказывается, создание точной биологической модели и создание правдоподобного компьютерного изображения жизни в кино очень похожи в том, что вы постоянно устраняете неисправности и модифицируете свой виртуальный объект, пока он не будет соответствовать тому, как вещи на самом деле выглядят и движутся», — говорит Рейли. «Однако для биологии моделирование также должно соответствовать зарегистрированным научным данным и теоретическим моделям, которые ранее были экспериментально подтверждены».
Ученые создали конвейер анимации на основе дизайна, который объединяет программное обеспечение для анимации фильмов на основе физики с программным обеспечением для моделирования молекулярной динамики, чтобы создать модель движения хвоста сперматозоида на основе научных данных с критерием, согласно которому модель должна работать во всех масштабах. . «Это действительно подход дизайн-мышления, при котором вы должны быть готовы отказаться от своей модели, если она не работает правильно, когда вы интегрируете ее с данными из другого масштаба», — говорит Рейли. «Многие научные исследования используют редукционистский подход, сосредотачиваясь на одной молекуле или одной биологической системе с все более и более высоким разрешением, не помещая ее в контекст, что затрудняет получение общей картины целого».Ядром хлыстоподобного хвоста сперматозоидов является аксонема, длинная трубка, состоящая из девяти пар микротрубочек, расположенных столбиком вокруг центральной пары, каждая из которых простирается по всей длине хвоста.
Ритмичное изгибание и растяжение аксонемы является источником движения хвоста, и ученые знали, что им нужно реалистично изобразить этот процесс, чтобы показать зрителям фильма, как движется сперма. Вместо того, чтобы строить модель линейным образом путем «увеличения» или «уменьшения масштаба», чтобы добавить больше информации к единой исходной структуре, они построили модель одновременно в разных масштабах, неоднократно сверяя ее с научными данными, чтобы убедиться в ее точности и точности. модифицируя его, пока части не будут соответствовать друг другу.Движение аксонемы осуществляется посредством рядов моторных белков, называемых динеинами, которые прикрепляются вдоль микротрубочек и оказывают на них силу, так что микротрубочки «скользят» друг мимо друга, что затем вызывает изгиб и движение всей аксонемы и хвоста сперматозоида. Белок динеин имеет длинную «руку», которая захватывает соседнюю микротрубочку и, когда белок меняет одну форму на другую, тянет за собой микротрубочку.
Динеин переключается между этими различными конформациями в результате превращения молекулы АТФ в АДФ в определенном сайте связывания на белке, который высвобождает энергию при разрыве химической связи. Чтобы смоделировать этот молекулярный двигатель, ученые создали молекулярно-динамическое моделирование белка динеина и приложили энергию к месту связывания АТФ, чтобы приблизиться к передаче энергии от АТФ. Они обнаружили, что это заставляло атомы всего белка двигаться в случайных направлениях, когда они выполняли моделирование динеина, плавающего в растворе, как это делают большинство обычных научных симуляций.
Однако, когда они затем «зафиксировали» определенную шарнирную область молекулы динеина, которая, как известно, соединяет динеин с его микротрубочкой, они обнаружили, что динеин спонтанно перемещается в своем характерном направлении, когда сила прилагается к сайту связывания АТФ, что соответствует как он движется в природе.«Наша основанная на физике система моделирования и анимации не только так же хороша, как и другие системы моделирования на основе данных, она привела к новому научному пониманию того, что ограниченное движение динеинового шарнира фокусирует энергию, высвобождаемую при гидролизе АТФ, что вызывает изменение формы динеина. и управляет скольжением микротрубочек и движением аксонемы, — говорит Ingber. «Кроме того, в то время как предыдущие исследования динеина выявили две разные статические конформации молекулы, наша анимация визуально изображает один вероятный способ, которым белок может переходить между этими формами при атомном разрешении, что невозможно при других симуляциях. также позволяет нам визуализировать, как ряды динеинов работают в унисон, как гребцы, объединяющиеся в лодке, что сложно при использовании традиционных подходов научного моделирования ».Используя эту биологически точную модель того, как динеин перемещает микротрубочки внутри аксонемы, Ингбер и Рейли создали короткометражный фильм под названием «Начало», в котором проводятся параллели между спермой, плывущей к яйцеклетке, и космическими кораблями, летящими к планете в космосе, придавая художественный вид. к научной теме.
Фильм изображает несколько сперматозоидов, пытающихся оплодотворить яйцеклетку, «приближается» к хвосту одного сперматозоида, чтобы показать, как белки динеина движутся синхронно, заставляя хвост изгибаться и сгибаться, и заканчивается успешным путешествием сперматозоидов в яйцеклетку и инициацией деления клеток, которые в конечном итоге создадут новый организм. Ученые отправили фильм вместе с бумагой в несколько академических журналов, и потребовалось много времени, прежде чем они нашли редактора с широкими взглядами, который признал, что бумага и фильм вместе являются мощной демонстрацией того, как начало художественной цели может закончиться. создание новых научных открытий и инструмент для работы с общественностью.«И наука, и искусство связаны с наблюдением, интерпретацией и общением. Наша цель состоит в том, чтобы знакомить публику с наукой в развлекательной, системной форме, а не утомлять ее серией разрозненных фактов, а это поможет большему количеству людей понять и чувствуют, что они могут внести свой вклад в научный диалог.
Чем больше людей будут заниматься наукой, тем больше вероятность, что человечество решит большие мировые проблемы », — говорит Рейли. «Я также надеюсь, что этот документ и видео побудят большее количество ученых проявить художественный подход, когда они начнут новый проект, не обязательно для создания повествовательной истории, а для изучения их идеи так же, как художник исследует холст, потому что это делает разум открыт для другой формы интуитивной прозорливости, которая может привести к неожиданным результатам ».«Институт Висса руководствуется биологическим дизайном. В этом проекте мы использовали дизайнерские инструменты и подходы, заимствованные из мира искусства, для решения проблем, связанных с движением, формой и сложностью, чтобы создать что-то интересное, что в конечном итоге привело к новым научным открытиям и, надеюсь, новые способы увлечь общественность наукой », — говорит Ингбер. «Мы продемонстрировали, что искусство и наука могут приносить друг другу пользу, и мы надеемся, что этот проект будет стимулировать будущее сотрудничество с индустрией развлечений, чтобы искусство и наука могли еще больше приблизиться к изображению реальности так, как это сможет каждый. цени и наслаждайся ".