Kunst fremme videnskab på nanoskala

Ligesom mange andre videnskabsmænd, Don Ingber, M.D., Ph.D., den stiftende direktør for Wyss Institute, er bekymret over, at ikke-videnskabsmænd er blevet skeptiske og endda bange for hans felt på et tidspunkt, hvor teknologien kan tilbyde løsninger på mange af verdens største problemer. "Jeg føler, at der er en enorm afbrydelse mellem videnskaben og offentligheden, fordi det er afbildet som udenadslære i skolerne, når per definition, hvis du kan huske det, det er ikke videnskab, "siger Ingber, som også er Judah Folkman Professor i Vascular Biology ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program ved Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Videnskab er jagten på det ukendte. Vi har et ansvar for at nå ud til offentligheden og formidle den spænding ved udforskning og opdagelse, og heldigvis filmindustrien er allerede gode til at gøre det."

For at se om underholdning kan tilbyde en løsning på denne udfordring, Ingber slog sig sammen med Charles Reilly, Ph.D., en molekylær biofysiker, professionel animator, og Staff Scientist ved Wyss Institute, som tidligere har arbejdet på filminstruktør Peter Jacksons Park Road Post filmstudie, at skabe en film, der ville fange seernes fantasi ved at fortælle historien om en biologisk proces, der var præcis ned til atomniveau. "Don og jeg fandt hurtigt ud af, at vi har mange ting til fælles, især at vi begge er systemtænkere, " siger Reilly. "At anvende en kunstnerisk proces på videnskaben frigør dig fra den typisk reduktionistiske tilgang med at analysere en bestemt hypotese og lærer dig en anden måde at observere ting på. Som resultat, vi skabte ikke kun et underholdende værktøj til offentlig opsøgende, vi udførte robust teoretisk biologi forskning, der førte til ny videnskabelig indsigt i molekylær-skala processer." Forskningen er nu offentliggjort i ACS Nano .

Enhver god film har brug for karakterer og drama, og en "hook" for at få publikum investeret i at se. Forskerne besluttede at lave en parodi på en trailer til en Star Wars-film, men i stedet for at vise rumskibskrydsere, der skynder sig gennem rummet mod Dødsstjernen, de valgte en biologisk proces med sin egen indbyggede fortælling:befrugtningen af ​​et æg med en sædcelle, hvor millioner af sædceller kapløb om at være den, der lykkes og skaber den næste generation af liv. Mønstrene og mekanikken ved sædsvømning er blevet undersøgt og beskrevet i videnskabelig litteratur, men visuelt at vise den nøjagtige bevægelse af en sædhale krævede at tackle en af ​​de hårdeste udfordringer, videnskaben står over for i dag:hvordan man opretter en biologisk model i flere målestokke, der opretholder nøjagtighed i forskellige størrelser, fra celler helt ned til atomer. Det ville være som at starte med Empire State Building og derefter zoome tæt nok ind til at se hver enkelt skrue, møtrik og bolt der holder det sammen, samt hvordan individuelle vandmolekyler strømmer inde i dets rør, og samtidig bevare den krystalklare opløsning - ikke en nem opgave.

"Det viser sig, at det at skabe en nøjagtig biologisk model og skabe en troværdig computergenereret skildring af livet i film er meget ens, i, at du konstant fejlfinder og ændrer dit virtuelle objekt, indtil det passer til den måde, tingene faktisk ser ud og bevæger sig på, " siger Reilly. "Men, for biologi, simuleringerne skal også stemme overens med registrerede videnskabelige data og teoretiske modeller, der tidligere er blevet eksperimentelt valideret." Forskerne skabte en designbaseret animationspipeline, der integrerer fysikbaseret filmanimationssoftware med molekylær dynamiksimuleringssoftware for at skabe en model for, hvordan en sædhale bevæger sig baseret på videnskabelige data, med det kriterium, at modellen skulle fungere på tværs af alle størrelsesskalaer. "Dette er virkelig en designtænkningstilgang, hvor man skal være villig til at smide sin model ud, hvis den ikke fungerer korrekt, når man integrerer den med data fra en anden skala, " siger Reilly. "Mange videnskabelige undersøgelser bruger en reduktionistisk tilgang, med fokus på et molekyle eller et biologisk system med højere og højere opløsning uden at sætte det i sammenhæng, hvilket gør det svært at konvergere på et billede af den større helhed. "

Kernen i en sperms pisklignende hale er axonemet, et langt rør bestående af ni par mikrotubuli arrangeret i en søjle omkring et centralt par, som alle strækker sig over hele halens længde. Axonomets rytmiske bøjning og strækning er kilden til halens bevægelse, og forskerne vidste, at de var nødt til at skildre den proces realistisk for at vise filmens seere, hvordan en sperm bevæger sig. I stedet for at konstruere en model lineært ved at "zoome ind" eller "zoome ud" for at tilføje flere oplysninger til en enkelt startstruktur, de byggede modellen i forskellige skalaer samtidigt, gentagne gange kontrollere det mod videnskabelige data for at sikre, at det var nøjagtigt og ændre det, indtil brikkerne passer sammen.

Axonemets bevægelse udføres via rækker af motoriske proteiner kaldet dyneiner, der er fæstnet langs mikrotubulierne og udøver kraft på dem, så mikrotubulierne "glider" forbi hinanden, som derefter får hele aksonem og sædhale til at bøje og bevæge sig. Dynein-proteinet har en lang "arm" del, der griber ind i den tilstødende mikrotubuli og, når proteinet skifter fra en form til en anden, trækker mikrotubuli med sig. Dynein skifter mellem disse forskellige konformationer som et resultat af omdannelsen af ​​et molekyle af ATP til ADP på ​​et specifikt bindingssted på proteinet, som frigiver energi, da en kemisk binding brydes. For at modellere denne molekylære motor, forskerne skabte en molekylær dynamiksimulering af et dyneinprotein og anvendt energi på ATP -bindingsstedet for at tilnærme overførsel af energi fra ATP. De fandt ud af, at dette fik atomer i hele proteinet til at bevæge sig i tilfældige retninger, når de udførte deres simulering af dynein, der flyder i opløsning, som de fleste konventionelle videnskabelige simuleringer gør. Imidlertid, når de derefter "fikserede" et specifikt hængselområde af dyneinmolekylet, som vides at forbinde dynein med dets mikrotubuli, de opdagede, at dyneinet spontant bevægede sig i sin karakteristiske retning, når der blev påført kraft på ATP -bindingsstedet, passer til den måde, den bevæger sig på i naturen.

"Ikke kun er vores fysikbaserede simulerings- og animationssystem så godt som andre databaserede modelleringssystemer, det førte til den nye videnskabelige indsigt, at dyneinhængslets begrænsede bevægelse fokuserer energien frigivet ved ATP -hydrolyse, som forårsager dyneins formændring og driver mikrotubulus glidning og axoneme bevægelse, siger Ingber. mens tidligere undersøgelser af dynein har afsløret molekylets to forskellige statiske konformationer, vores animation skildrer visuelt en sandsynlig måde, hvorpå proteinet kan overgå mellem disse former ved atomopløsning, hvilket er noget, som andre simuleringer ikke kan. Animationstilgangen giver os også mulighed for at visualisere, hvordan rækker af dyneiner fungerer i forening, som roere, der trækker sammen i en båd, hvilket er svært ved at bruge konventionelle videnskabelige simuleringsmetoder."

Ved at bruge denne biologisk nøjagtige model af, hvordan dynein flytter mikrotubulierne i axonemet, Ingber og Reilly skabte en kortfilm kaldet "Begyndelsen, "som drager paralleller mellem sæd, der svømmer mod et æg, og rumskibe, der flyver mod en planet i rummet, give en kunstnerisk tilbøjelighed til et videnskabeligt emne. Filmen skildrer flere sædceller, der forsøger at befrugte ægget, "zoomer ind" på den ene sæds hale for at vise, hvordan dynein-proteinerne bevæger sig synkront for at få halen til at bøje og bøje, og ender med sædens succesrige rejse ind i ægget og initieringen af ​​celledeling, der i sidste ende vil skabe en ny organisme. Forskerne sendte filmen sammen med papiret til flere akademiske tidsskrifter, og det tog lang tid, før de fandt en fordomsfri redaktør, der erkendte, at avisen og filmen sammen var en kraftfuld demonstration af, hvordan det at starte med et kunstnerisk mål kan ende med at generere nye videnskabelige opdagelser sammen med et værktøj til offentlig udbredelse.

"Både videnskab og kunst handler om observation, fortolkning, og kommunikation. Vores mål er at præsentere videnskab for offentligheden på en underholdende, systembaseret måde, i stedet for at hænge dem ned med en række spredte fakta, det vil hjælpe flere mennesker til at forstå det og føle, at de kan bidrage til den videnskabelige samtale. Jo flere mennesker engagerer sig i videnskab, jo mere sandsynligt er det, at menneskeheden løser verdens store problemer, " siger Reilly. "Jeg håber også, at denne artikel og denne video opmuntrer flere videnskabsmænd til at tage en kunstnerisk tilgang, når de starter et nyt projekt, ikke nødvendigvis for at skabe en narrativ-baseret historie, men at udforske deres idé, som en kunstner udforsker et lærred, fordi det gør sindet åbent for en anden form for serendipity, der kan føre til uventede resultater."

"Wyss Institute er drevet af biologisk design. I dette projekt, vi brugte designværktøjer og tilgange lånt fra kunstverdenen til at løse problemer relateret til bevægelse, form, og kompleksitet til at skabe noget underholdende, som i sidste ende førte til ny videnskabelig indsigt og, forhåbentlig, nye måder at begejstre offentligheden om videnskab, " siger Ingber. "Vi har vist, at kunst og videnskab kan gavne hinanden på en virkelig gensidig måde, og vi håber, at dette projekt ansporer til fremtidige samarbejder med underholdningsindustrien, så både kunst og videnskab kan komme endnu tættere på at skildre virkeligheden på måder, som alle kan værdsætte og nyde."