Precis som många andra vetenskapsmän, Don Ingber, M.D., Ph.D., grundare av Wyss Institute, är oroad över att icke-vetenskapsmän har blivit skeptiska och till och med rädda för hans område i en tid då teknik kan erbjuda lösningar på många av världens största problem. "Jag känner att det finns en enorm koppling mellan vetenskap och allmänhet eftersom det skildras som utantill utantill i skolor, när per definition, om du kan memorera det, det är inte vetenskap, säger Ingber, som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, och professor i bioteknik vid Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Vetenskap är strävan efter det okända. Vi har ett ansvar att nå ut till allmänheten och förmedla den spänningen av utforskning och upptäckt, och lyckligtvis, filmindustrin är redan bra på att göra det."

För att se om underhållning kan erbjuda en lösning på denna utmaning, Ingber slog sig ihop med Charles Reilly, Ph.D., en molekylär biofysiker, professionell animatör, och Staff Scientist vid Wyss Institute som tidigare arbetat på filmregissören Peter Jacksons Park Road Post filmstudio, att skapa en film som skulle fånga tittarnas fantasi genom att berätta historien om en biologisk process som var korrekt ner till atomnivå. "Don och jag upptäckte snabbt att vi har många saker gemensamt, speciellt att vi båda är systemtänkare, ", säger Reilly. "Att tillämpa en konstnärlig process på vetenskap befriar dig från det typiskt reduktionistiska tillvägagångssättet att analysera en viss hypotes och lär dig ett annat sätt att observera saker. Som ett resultat, vi skapade inte bara ett underhållande verktyg för offentlig uppsökande, vi genomförde robust teoretisk biologiforskning som ledde till ny vetenskaplig insikt om processer i molekylär skala." Forskningen publiceras nu i ACS Nano .

Alla bra filmer behöver karaktärer och drama, och en "krok" för att få publiken att investera i att titta. Forskarna bestämde sig för att göra en parodi på en trailer för en Star Wars-film, men istället för att visa rymdskeppskryssare som susar genom rymden mot Dödsstjärnan, de valde en biologisk process med en egen inbyggd berättelse:befruktningen av ett ägg av en spermie, där miljontals spermier tävlar om att vara den som lyckas och skapar nästa generations liv. Mönstren och mekaniken för spermasimning har studerats och beskrivits i vetenskaplig litteratur, men att visuellt visa den exakta rörelsen av en spermiesvans krävde en av de tuffaste utmaningarna som vetenskapen står inför idag:hur man skapar en biologisk flerskalig modell som bibehåller noggrannhet i olika storlekar, från celler hela vägen ner till atomer. Det skulle vara som att börja med Empire State Building och sedan zooma in tillräckligt nära för att se varje enskild skruv, mutter och bult som håller ihop den, samt hur enskilda vattenmolekyler flödar inuti dess rör, med bibehållen kristallklar upplösning - ingen lätt uppgift.

"Det visar sig att skapa en korrekt biologisk modell och skapa en trovärdig datorgenererad skildring av livet i film är väldigt lika, genom att du ständigt felsöker och modifierar ditt virtuella objekt tills det passar hur saker faktiskt ser ut och rör sig, " säger Reilly. "Men, för biologi, simuleringarna måste också överensstämma med registrerade vetenskapliga data och teoretiska modeller som tidigare har validerats experimentellt." Forskarna skapade en designbaserad animationspipeline som integrerar fysikbaserad mjukvara för filmanimering med simuleringsprogramvara för molekylär dynamik för att skapa en modell av hur en spermiesvans rör sig baserat på vetenskapliga data, med kriteriet att modellen måste fungera över alla storleksskalor. "Detta är verkligen ett designtänkande, där du måste vara villig att kasta ut din modell om den inte fungerar korrekt när du integrerar den med data från en annan skala, " säger Reilly. "Många vetenskapliga undersökningar använder ett reduktionistiskt tillvägagångssätt, fokusera på en molekyl eller ett biologiskt system med högre och högre upplösning utan att placera det i sitt sammanhang, vilket gör det svårt att konvergera till en bild av den större helheten."

Kärnan i en spermies piskliknande svans är axonemet, ett långt rör bestående av nio par mikrotubuli arrangerade i en kolumn runt ett centralt par, som alla sträcker sig över hela svansen. Axonemets rytmiska böjning och sträckning är källan till svansens rörelse, och forskarna visste att de behövde realistiskt skildra den processen för att visa filmens tittare hur en sperma rör sig. Istället för att konstruera en modell på ett linjärt sätt genom att "zooma in" eller "zooma ut" för att lägga till mer information till en enda startstruktur, de byggde modellen i olika skalor samtidigt, upprepade gånger kontrollera den mot vetenskapliga data för att säkerställa att den var korrekt och modifiera den tills delarna passar ihop.

Axonemets rörelse åstadkoms via rader av motorproteiner som kallas dyneiner som är fästa längs mikrotubulierna och utövar kraft på dem så att mikrotubulierna "glider" förbi varandra, vilket sedan får hela axonemet och spermiesvansen att böjas och röra sig. Dyneinproteinet har en lång "arm" del som griper tag i den närliggande mikrotubuli och, när proteinet ändras från en form till en annan, drar med sig mikrotubuli. Dynein växlar mellan dessa olika konformationer som ett resultat av omvandlingen av en molekyl av ATP till ADP vid ett specifikt bindningsställe på proteinet, som frigör energi när en kemisk bindning bryts. För att modellera denna molekylära motor, forskarna skapade en molekylär dynamiksimulering av ett dyneinprotein och applicerade energi vid ATP-bindningsstället för att approximera överföringen av energi från ATP. De fann att detta fick atomer i hela proteinet att röra sig i slumpmässiga riktningar när de utförde sin simulering av dynein som flyter i lösning, som de flesta konventionella vetenskapliga simuleringar gör. Dock, när de sedan "fixerade" en specifik gångjärnsregion av dyneinmolekylen som är känd för att koppla dynein till dess mikrotubuli, de upptäckte att dyneinet spontant rörde sig i sin karakteristiska riktning när kraft applicerades på ATP-bindningsstället, matchar hur den rör sig i naturen.

"Inte bara är vårt fysikbaserade simulerings- och animationssystem lika bra som andra databaserade modelleringssystem, det ledde till den nya vetenskapliga insikten att dyneingångjärnets begränsade rörelse fokuserar energin som frigörs av ATP-hydrolys, som orsakar dyneins formförändring och driver mikrotubulusglidning och axonemrörelse, säger Ingber. Dessutom medan tidigare studier av dynein har avslöjat molekylens två olika statiska konformationer, vår animation skildrar visuellt ett rimligt sätt att proteinet kan övergå mellan dessa former vid atomär upplösning, vilket är något som andra simuleringar inte kan göra. Animeringsmetoden låter oss också visualisera hur rader av dyneiner fungerar unisont, som roddare som drar ihop sig i en båt, vilket är svårt med konventionella vetenskapliga simuleringsmetoder."

Genom att använda denna biologiskt korrekta modell av hur dynein förflyttar mikrotubulierna i axonemet, Ingber och Reilly skapade en kortfilm som heter "The Beginning, "som drar paralleller mellan spermier som simmar mot ett ägg och rymdskepp som flyger mot en planet i rymden, ge en konstnärlig inställning till ett vetenskapligt ämne. Filmen visar flera spermier som försöker befrukta ägget, "zoomar in" på en spermies svans för att visa hur dyneinproteinerna rör sig i synk för att få svansen att böjas och böjas, och slutar med spermiernas framgångsrika resa in i ägget och initieringen av celldelning som i slutändan kommer att skapa en ny organism. Forskarna skickade in filmen tillsammans med uppsatsen till flera akademiska tidskrifter, och det tog lång tid innan de hittade en fördomsfri redaktör som insåg att tidningen och filmen tillsammans var en kraftfull demonstration av hur att börja med ett konstnärligt mål kan sluta med att generera nya vetenskapliga upptäckter tillsammans med ett verktyg för offentlig uppsökande.

"Både vetenskap och konst handlar om observation, tolkning, och kommunikation. Vårt mål är att presentera vetenskap för allmänheten på ett underhållande, systembaserat sätt, snarare än att sätta ner dem med en rad spridda fakta, det kommer att hjälpa fler att förstå det och känna att de kan bidra till det vetenskapliga samtalet. Ju fler människor engagerar sig i vetenskap, desto mer sannolikt är det att mänskligheten löser världens stora problem, " säger Reilly. "Jag hoppas också att den här artikeln och videon uppmuntrar fler forskare att ta ett konstnärligt förhållningssätt när de startar ett nytt projekt, inte nödvändigtvis för att skapa en narrativ berättelse, men att utforska deras idé på det sätt som en konstnär utforskar en duk, eftersom det gör sinnet öppet för en annan form av serendipity som kan leda till oväntade resultat."

"Wyss Institute drivs av biologisk design. I detta projekt, vi använde designverktyg och tillvägagångssätt lånade från konstvärlden för att lösa problem relaterade till rörelse, form, och komplexitet för att skapa något underhållande, vilket i slutändan ledde till nya vetenskapliga insikter och, förhoppningsvis, nya sätt att upphetsa allmänheten om vetenskap, " säger Ingber. "Vi har visat att konst och vetenskap kan gynna varandra på ett verkligt ömsesidigt sätt, och vi hoppas att detta projekt sporrar framtida samarbeten med underhållningsindustrin så att både konst och vetenskap kan komma ännu närmare att skildra verkligheten på ett sätt som alla kan uppskatta och njuta av."