Como muchos otros científicos, Don Ingber, MARYLAND., Doctor., el Director Fundador del Instituto Wyss, le preocupa que los no científicos se hayan vuelto escépticos e incluso temerosos de su campo en un momento en que la tecnología puede ofrecer soluciones a muchos de los mayores problemas del mundo. "Siento que hay una gran desconexión entre la ciencia y el público porque se describe como memorización de memoria en las escuelas, cuando por definición, si puedes memorizarlo, no es ciencia, "dice Ingber, quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Escuela de Medicina de Harvard y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, y profesor de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard Paulson (SEAS). "La ciencia es la búsqueda de lo desconocido. Tenemos la responsabilidad de llegar al público y transmitir esa emoción de exploración y descubrimiento, y afortunadamente la industria del cine ya es excelente en hacer eso ".

Para ver si el entretenimiento puede ofrecer una solución a este desafío, Ingber se asoció con Charles Reilly, Doctor., un biofísico molecular, animador profesional, y científico del personal del Instituto Wyss que anteriormente trabajó en el estudio de cine Park Road Post del director de cine Peter Jackson, para crear una película que capturara la imaginación de los espectadores al contar la historia de un proceso biológico que era preciso hasta el nivel atómico. "Don y yo descubrimos rápidamente que tenemos muchas cosas en común, especialmente que ambos somos pensadores sistémicos, ", dice Reilly." Aplicar un proceso artístico a la ciencia te libera del enfoque típicamente reduccionista de analizar una hipótesis en particular y te enseña una forma diferente de observar las cosas. Como resultado, no solo creamos una herramienta entretenida para la divulgación pública, llevamos a cabo una sólida investigación en biología teórica que condujo a nuevos conocimientos científicos sobre los procesos a escala molecular ". La investigación ahora se publica en ACS Nano .

Cualquier buena película necesita personajes y drama, y un "gancho" para que la audiencia se interese en mirar. Los científicos decidieron hacer una parodia de un tráiler de una película de Star Wars, pero en lugar de mostrar cruceros de naves espaciales a toda velocidad por el espacio hacia la Estrella de la Muerte, eligieron un proceso biológico con su propia narrativa incorporada:la fertilización de un óvulo por un espermatozoide, en el que millones de espermatozoides corren para ser el que tenga éxito y cree la próxima generación de vida. Los patrones y la mecánica de la natación de los espermatozoides se han estudiado y descrito en la literatura científica. pero mostrar visualmente el movimiento preciso de la cola de un espermatozoide requería abordar uno de los desafíos más difíciles que enfrenta la ciencia en la actualidad:cómo crear un modelo biológico de múltiples escalas que mantenga la precisión en diferentes tamaños, desde las células hasta los átomos. Eso sería como comenzar con el Empire State Building y luego acercarse lo suficiente para ver cada tornillo individual, tuerca y perno que lo mantiene unido, así como cómo las moléculas de agua individuales fluyen dentro de sus tuberías, manteniendo una resolución nítida, no es una tarea fácil.

"Resulta que la creación de un modelo biológico preciso y la creación de una representación creíble de la vida generada por computadora en una película son muy similares, en el sentido de que constantemente está solucionando problemas y modificando su objeto virtual hasta que se ajusta a la forma en que las cosas realmente se ven y se mueven, "dice Reilly." Sin embargo, para biología, las simulaciones también tienen que alinearse con los datos científicos registrados y los modelos teóricos que han sido previamente validados experimentalmente ". Los científicos crearon un canal de animación basado en el diseño que integra software de animación de películas basado en la física con software de simulación de dinámica molecular para crear un modelo de cómo un Los movimientos de la cola del esperma se basan en datos científicos. con el criterio de que el modelo tenía que funcionar en todas las escalas de tamaño. "Este es realmente un enfoque de pensamiento de diseño, donde debe estar dispuesto a descartar su modelo si no funciona correctamente cuando lo integra con datos de otra escala, "Dice Reilly." Muchas investigaciones científicas utilizan un enfoque reduccionista, centrarse en una molécula o un sistema biológico con una resolución cada vez más alta sin ponerlo en contexto, lo que dificulta la convergencia en una imagen de un todo más amplio ".

El núcleo de la cola en forma de látigo de un espermatozoide es el axonema, un tubo largo que consta de nueve pares de microtúbulos dispuestos en una columna alrededor de un par central, todos los cuales se extienden a lo largo de toda la cola. La flexión y el estiramiento rítmicos del axonema son la fuente del movimiento de la cola, y los científicos sabían que necesitaban representar de manera realista ese proceso para mostrar a los espectadores de la película cómo se mueve un espermatozoide. En lugar de construir un modelo de forma lineal "acercándose" o "alejándose" para agregar más información a una única estructura inicial, construyeron el modelo a diferentes escalas simultáneamente, cotejándolo repetidamente con datos científicos para asegurarse de que sea exacto y modificándolo hasta que las piezas encajen.

El movimiento del axonema se logra a través de filas de proteínas motoras llamadas dineínas que se unen a lo largo de los microtúbulos y ejercen fuerza sobre ellos para que los microtúbulos se "deslicen" entre sí, que luego hace que todo el axonema y la cola del esperma se doblen y se muevan. La proteína dineína tiene una porción larga de "brazo" que se agarra al microtúbulo vecino y, cuando la proteína cambia de una forma a otra, tira del microtúbulo junto con él. La dineína cambia entre estas diferentes conformaciones como resultado de la conversión de una molécula de ATP en ADP en un sitio de unión específico en la proteína. que libera energía cuando se rompe un enlace químico. Para modelar este motor molecular, Los científicos crearon una simulación de dinámica molecular de una proteína dineína y aplicaron energía en el sitio de unión del ATP para aproximar la transferencia de energía del ATP. Descubrieron que esto hacía que los átomos de toda la proteína se movieran en direcciones aleatorias cuando realizaban su simulación de dineína flotando en una solución. como hacen la mayoría de las simulaciones científicas convencionales. Sin embargo, cuando luego "fijaron" una región de bisagra específica de la molécula de dineína que se sabe que conecta la dineína a su microtúbulo, descubrieron que la dineína se movía espontáneamente en su dirección característica cuando se aplicaba fuerza en el sitio de unión del ATP, coincidiendo con la forma en que se mueve en la naturaleza.

"Nuestro sistema de animación y simulación basado en la física no solo es tan bueno como otros sistemas de modelado basados ​​en datos, condujo a la nueva percepción científica de que el movimiento limitado de la bisagra de dineína concentra la energía liberada por la hidrólisis de ATP, que causa el cambio de forma de la dineína e impulsa el deslizamiento de los microtúbulos y el movimiento del axonema, "dice Ingber". Además, mientras que estudios previos de dineína han revelado las dos conformaciones estáticas diferentes de la molécula, nuestra animación representa visualmente una forma plausible en la que la proteína puede hacer la transición entre esas formas con una resolución atómica, que es algo que otras simulaciones no pueden hacer. El enfoque de animación también nos permite visualizar cómo funcionan las filas de dineínas al unísono, como remeros que se juntan en un bote, lo cual es difícil usando enfoques convencionales de simulación científica ".

Usando este modelo biológicamente exacto de cómo la dineína mueve los microtúbulos dentro del axonema, Ingber y Reilly crearon un cortometraje llamado "The Beginning, "que establece paralelismos entre los espermatozoides que nadan hacia un óvulo y las naves espaciales que vuelan hacia un planeta en el espacio, dando una inclinación artística a un tema científico. La película muestra a varios espermatozoides que intentan fertilizar el óvulo, "acerca" la cola de un espermatozoide para mostrar cómo las proteínas dineína se mueven en sincronía para hacer que la cola se doble y flexione, y termina con el exitoso viaje del esperma hacia el óvulo y el inicio de la división celular que finalmente creará un nuevo organismo. Los científicos enviaron la película junto con el artículo a varias revistas académicas, y pasó mucho tiempo antes de que encontraran un editor de mente abierta que reconociera que el papel y la película juntos eran una poderosa demostración de cómo comenzar con un objetivo artístico puede terminar generando nuevos descubrimientos científicos junto con una herramienta de divulgación pública.

"Tanto la ciencia como el arte tienen que ver con la observación, interpretación, y comunicación. Nuestro objetivo es presentar la ciencia al público de forma entretenida, forma basada en el sistema, en lugar de empantanarlos con una serie de hechos dispersos, ayudará a más personas a entenderlo y sentir que pueden contribuir a la conversación científica. Cuanta más gente se involucre con la ciencia, cuanto más probable es que la humanidad resuelva los grandes problemas del mundo, ", dice Reilly." También espero que este documento y este video alienten a más científicos a adoptar un enfoque artístico cuando inicien un nuevo proyecto, no necesariamente para crear una historia basada en la narrativa, pero explorar su idea de la misma forma en que un artista explora un lienzo, porque eso hace que la mente se abra a una forma diferente de serendipia que puede conducir a resultados inesperados ".

"El Instituto Wyss está impulsado por el diseño biológico. En este proyecto, utilizamos herramientas de diseño y enfoques tomados del mundo del arte para resolver problemas relacionados con el movimiento, formulario, y complejidad para crear algo entretenido, que en última instancia condujo a nuevos conocimientos científicos y, Ojalá, nuevas formas de entusiasmar al público sobre la ciencia, "dice Ingber." Hemos demostrado que el arte y la ciencia pueden beneficiarse mutuamente de una manera verdaderamente recíproca, y esperamos que este proyecto estimule futuras colaboraciones con la industria del entretenimiento para que tanto el arte como la ciencia puedan acercarse aún más a representar la realidad de una manera que cualquiera pueda apreciar y disfrutar ".