Искусство продвигающаяся наука в наноразмерном: Что происходит, когда два ученых намереваются делать фильм, чтобы развлечь общественность? Они заканчивают тем, что делали новые научные открытия по пути

Чтобы видеть, могли ли бы развлечения предложить решение этой проблемы, Ингбер объединился с Чарльзом Рейли, доктором философии, молекулярным биофизиком, профессиональным аниматором, и Научным сотрудником из Института Wyss, который ранее работал в киностудии парка кинорежиссера Питера Джексона Road Post, чтобы создать фильм, который захватит воображение зрителей, рассказывая историю биологического процесса, который был точен вниз к атомному уровню. «Дон и я быстро нашли, что у нас есть много общих черт, особенно что мы – оба мыслители систем», говорит Рейли. «Применение художественного процесса к науке освобождает Вас от, как правило, редукционистского подхода анализа одной конкретной гипотезы и преподает Вам различный способ наблюдать вещи. В результате мы не только создали интересный инструмент для общественной поддержки, мы провели прочное теоретическое исследование биологии, которое привело к новому научному пониманию процессов молекулярного масштаба».

Исследование теперь издано в Нано ACS.Для любого хорошего фильма нужны знаки и драма и «крюк», чтобы инвестировать аудиторию в наблюдение.

Ученые решили сделать пародию на трейлер для фильма Star Wars, но вместо того, чтобы показать крейсеры космического корабля, мчащиеся через пространство к Звезде смерти, они выбрали биологический процесс с его собственным встроенным рассказом: оплодотворение яйца спермой, в который миллионы гонки спермы быть тем, который следует и создает следующее поколение жизни. Образцы и механика плавания спермы были изучены и описаны в научной литературе, но визуально показе точного движения хвоста спермы, требуемого, занявшись одной из самых жестких проблем, стоящих перед наукой сегодня: как создать многомасштабную биологическую модель, которая поддерживает точность в различных размерах от клеток полностью вниз к атомам. Это было бы похоже на старт с Эмпайр Стейт Билдинг и затем увеличивание масштаб достаточно близко, чтобы видеть каждый отдельный винт, орех и болт, который скрепляет его, а также как отдельные молекулы воды текут в его трубах, поддерживая совершенно ясную резолюцию – не легкая задача.

«Оказывается, что создание точной биологической модели и создание правдоподобного машинно-генерируемого описания жизни в фильме очень похожи, в этом Вы постоянно расследуете и изменяете свой виртуальный объект, пока это не соответствует способу, которым вещи на самом деле смотрят и перемещаются», говорит Рейли. «Однако для биологии, моделирования также должны выровнять с зарегистрированной научной информацией и теоретическими моделями, которые были ранее экспериментально утверждены». Ученые создали основанный на дизайне трубопровод анимации, который объединяет основанное на физике программное обеспечение анимации фильма с молекулярным программным обеспечением моделирования динамики, чтобы создать модель того, как хвост спермы перемещается на основе научной информации с критерием, что модель должна была работать через все весы размера. «Это – действительно дизайн, думая подход, где Вы должны быть готовы выбросить свою модель, если это не работает правильно, когда Вы объединяете его с данными из другого масштаба», говорит Рейли. «Много научных расследований использует редукционистский подход, сосредотачивающийся на одной молекуле или одной биологической системе с выше и более высокая резолюция, не помещая его в контекст, который мешает сходиться на картине большего целого».Ядро подобного кнуту хвоста спермы – axoneme, длинная труба, состоящая из девяти пар микроканальцев, устроенных в колонке вокруг центральной пары, все из которых расширяют всю длину хвоста.

Ритмичный изгиб и протяжение axoneme – источник движения хвоста, и ученые знали, что они должны были реалистично изобразить тот процесс, чтобы показать зрителям фильма, как сперма перемещается. Вместо того, чтобы строить модель линейным способом, «увеличивая масштаб» или «уменьшая масштаб», чтобы добавить больше информации к единственной стартовой структуре, они построили модель в различных весах одновременно, неоднократно сравнивая его с научной информацией, чтобы гарантировать, что это было точно и изменило его, пока части не совмещаются.

Движение axoneme достигнуто через ряды моторных белков, названных dyneins, которые приложены вдоль микроканальцев и проявляют силу на них так микроканальцы «понижение» друг мимо друга, который тогда заставляет весь axoneme и хвост спермы сгибаться и перемещаться. У dynein белка есть долгая часть «руки», которая захватывает на соседний микроканалец и, когда белок изменения от одной формы до другого, тянет микроканалец наряду с ним.

Dynein переключается между этими различными conformations в результате преобразования молекулы ATP к автоматической обработке в определенном связывающем участке на белке, который выпускает энергию, поскольку химическая связь разорвана. Чтобы смоделировать этот молекулярный двигатель, ученые создали молекулярное моделирование динамики dynein белка и применили энергию в связывающем участке ATP, чтобы приблизить передачу энергии от ATP. Они нашли, что это заставило атомы во всем белке перемещаться в случайных направлениях, когда они выполнили свое моделирование dynein, плавающего в решении, как большинство обычных научных моделирований делает. Однако, когда они тогда «зафиксировали» определенную область стержня dynein молекулы, которая, как известно, соединяет dynein с его микроканальцем, они обнаружили, что dynein к спонтанно перемещенному в его характерном направлении, когда сила была применена в связывающем участке ATP, соответствуя пути, это перемещается по своей природе.

«Не только наше основанное на физике моделирование и система анимации, столь же хорошая как другие основанные на данных системы моделирования, это привело к новому научному пониманию, что ограниченное движение dynein стержня сосредотачивает энергию, выпущенную гидролизом ATP, который вызывает изменение формы dynein и стимулирует скольжение микроканальца и axoneme движение», говорит Ингбер. «Кроме того, в то время как предыдущие исследования dynein показали два различных статических conformations молекулы, наша анимация визуально изображает один вероятный способ, которым белок может перейти между теми формами в атомной резолюции, которая является чем-то, что не могут сделать другие моделирования. Подход анимации также позволяет нам визуализировать, как ряды dyneins работают в унисон, как гребцы, сплачивающиеся в лодке, которая является трудными использующими обычными научными подходами моделирования».Используя эту биологически точную модель того, как dynein перемещает микроканальцы в axoneme, Ингбер и Рейли создали короткометражный фильм, названный «Начало», которое проводит параллели между спермой, плавающей к яйцу и космическими кораблями, летящими к планете в космосе, давая артистическую склонность научной теме.

Фильм изображает несколько спермы, пытающейся оплодотворить яйцо, «увеличивает масштаб» на хвосте одной спермы, чтобы показать, как dynein движение белков в синхронизации, чтобы заставить хвост сгибаться и сгибать, и заканчивается успешной поездкой спермы в яйцо и инициированием клеточного деления, которое в конечном счете создаст новый организм. Ученые представили фильм наряду с бумагой к нескольким академическим журналам, и требовалось много времени, прежде чем они нашли непредубежденного редактора, который признал, что бумага и фильм вместе были сильной демонстрацией того, как старт с артистической цели может закончить тем, что произвел новые научные открытия наряду с инструментом для общественной поддержки.

«И наука и искусство о наблюдении, интерпретации и коммуникации. Наша цель состоит в том, что, представляя науку общественности интересным, основанным на системе способом, вместо того, чтобы сорвать их с серией рассеянных фактов, это поможет большему количеству людей понять его и чувствовать, что они могут способствовать научному разговору. Чем больше людей сотрудничает с наукой, тем более вероятное человечество должно решить большие проблемы в мире», говорит Рейли. «Я также надеюсь, что данная статья и видео поощряют больше ученых проявлять артистический подход, когда они начинают новый проект, не обязательно, чтобы создать основанную на рассказе историю, но исследовать их идею путем, художник исследует холст, потому что это делает ум открытым для другой формы интуитивной прозорливости, которая может привести к неожиданным результатам».

«Институт Wyss ведет биологический дизайн. В этом проекте мы использовали средства проектирования и подходы, одолженные от мира искусства, чтобы решить проблемы, связанные с движением, формой и сложностью, чтобы создать что-то интересное, которое в конечном счете привело к новому научному пониманию и, надо надеяться, новые способы взволновать общественность о науке», говорит Ингбер. «Мы продемонстрировали, что искусство и наука могут принести пользу друг другу действительно взаимным способом, и мы надеемся, что этот проект поощряет будущее сотрудничество с индустрией развлечений так, чтобы и искусство и наука могли стать еще ближе к изображению действительности способами, которыми любой может ценить и наслаждаться».


Блог Александрии