p Como muitos outros cientistas, Don Ingber, M.D., Ph.D., o Diretor Fundador do Wyss Institute, está preocupado com o fato de os não-cientistas terem se tornado céticos e até temerosos de sua área em uma época em que a tecnologia pode oferecer soluções para muitos dos maiores problemas do mundo. "Eu sinto que há uma grande desconexão entre a ciência e o público porque isso é descrito como memorização mecânica nas escolas, quando por definição, se você pode memorizá-lo, não é ciência, "diz Ingber, que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, e Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard Paulson (SEAS). "A ciência é a busca do desconhecido. Temos a responsabilidade de chegar ao público e transmitir a empolgação da exploração e descoberta, e felizmente, a indústria cinematográfica já é ótima nisso ”. p Para ver se o entretenimento pode oferecer uma solução para este desafio, Ingber se juntou a Charles Reilly, Ph.D., um biofísico molecular, animador profissional, e a equipe de cientistas do Wyss Institute, que já trabalhou no estúdio de cinema Park Road Post do diretor de cinema Peter Jackson, para criar um filme que capturasse a imaginação dos espectadores, contando a história de um processo biológico que era preciso até o nível atômico. "Don e eu descobrimos rapidamente que temos muitas coisas em comum, especialmente que somos pensadores de sistemas, "diz Reilly." Aplicar um processo artístico à ciência liberta você da abordagem tipicamente reducionista de analisar uma hipótese específica e ensina uma maneira diferente de observar as coisas. Como resultado, nós não apenas criamos uma ferramenta divertida para alcançar o público, conduzimos uma pesquisa teórica robusta em biologia que levou a uma nova visão científica dos processos em escala molecular. "A pesquisa foi publicada agora em ACS Nano .

p Qualquer bom filme precisa de personagens e drama, e um "gancho" para fazer com que o público invista em assistir. Os cientistas decidiram fazer uma paródia de um trailer de um filme de Star Wars, mas em vez de mostrar cruzadores de naves estelares voando pelo espaço em direção à Estrela da Morte, eles escolheram um processo biológico com sua própria narrativa embutida:a fertilização de um óvulo por um espermatozóide, em que milhões de espermatozoides correm para ter sucesso e criar a próxima geração de vida. Os padrões e a mecânica da natação dos espermatozoides foram estudados e descritos na literatura científica, mas mostrar visualmente o movimento preciso da cauda de um espermatozóide exigia enfrentar um dos desafios mais difíceis que a ciência enfrenta hoje:como criar um modelo biológico multi-escala que mantém a precisão em tamanhos diferentes, das células até os átomos. Isso seria como começar com o Empire State Building e, em seguida, aproximar o suficiente para ver cada parafuso individual, porca e parafuso que o mantém unido, bem como como as moléculas individuais de água fluem dentro de seus tubos, ao mesmo tempo em que mantém uma resolução cristalina - não é uma tarefa fácil.

p "Acontece que a criação de um modelo biológico preciso e a criação de uma representação crível da vida gerada por computador em um filme são muito semelhantes, em que você está constantemente solucionando problemas e modificando seu objeto virtual até que ele se encaixe na forma como as coisas realmente se parecem e se movem, "diz Reilly." No entanto, para biologia, as simulações também devem se alinhar com dados científicos registrados e modelos teóricos que foram previamente validados experimentalmente. "Os cientistas criaram um pipeline de animação baseado em design que integra software de animação de filme baseado em física com software de simulação de dinâmica molecular para criar um modelo de como um a cauda do esperma se move com base em dados científicos, com o critério de que o modelo deveria funcionar em todas as escalas de tamanho. "Esta é realmente uma abordagem de design thinking, onde você deve estar disposto a descartar seu modelo se ele não funcionar corretamente ao integrá-lo com dados de outra escala, "Reilly diz." Muitas investigações científicas usam uma abordagem reducionista, focar em uma molécula ou um sistema biológico com resolução cada vez mais alta sem colocá-lo no contexto, o que torna difícil convergir para uma imagem do todo maior. "

p O núcleo da cauda em forma de chicote de um espermatozóide é o axonema, um tubo longo que consiste em nove pares de microtúbulos dispostos em uma coluna em torno de um par central, todos os quais se estendem por todo o comprimento da cauda. A flexão e o alongamento rítmicos do axonema são a fonte do movimento da cauda, e os cientistas sabiam que precisavam retratar esse processo de forma realista para mostrar aos espectadores do filme como um espermatozóide se move. Em vez de construir um modelo de maneira linear "ampliando" ou "diminuindo o zoom" para adicionar mais informações a uma única estrutura inicial, eles construíram o modelo em diferentes escalas simultaneamente, verificando-o repetidamente com dados científicos para garantir que seja preciso e modificando-o até que as peças se encaixem.

p O movimento do axonema é realizado por meio de fileiras de proteínas motoras chamadas dineínas, que são fixadas ao longo dos microtúbulos e exercem força sobre eles para que os microtúbulos "deslizem" uns sobre os outros, o que faz com que todo o axonema e a cauda do esperma se dobrem e se movam. A proteína dineína tem uma porção de "braço" longa que se agarra ao microtúbulo vizinho e, quando a proteína muda de uma forma para outra, puxa o microtúbulo junto com ele. A dineína alterna entre essas diferentes conformações como resultado da conversão de uma molécula de ATP em ADP em um local de ligação específico na proteína, que libera energia quando uma ligação química é quebrada. Para modelar este motor molecular, os cientistas criaram uma simulação de dinâmica molecular de uma proteína dineína e aplicaram energia no local de ligação do ATP para aproximar a transferência de energia do ATP. Eles descobriram que isso fazia com que os átomos de toda a proteína se movessem em direções aleatórias quando realizaram a simulação de dineína flutuando na solução, como fazem a maioria das simulações científicas convencionais. Contudo, quando eles então "fixaram" uma região de dobradiça específica da molécula de dineína que é conhecida por conectar a dineína ao seu microtúbulo, eles descobriram que a dineína se movia espontaneamente em sua direção característica quando a força era aplicada no local de ligação do ATP, combinando com a maneira como ele se move na natureza.

p "Nosso sistema de simulação e animação baseado em física não é apenas tão bom quanto outros sistemas de modelagem baseados em dados, levou ao novo insight científico de que o movimento limitado da dobradiça dineína concentra a energia liberada pela hidrólise de ATP, que causa a mudança da forma da dineína e impulsiona o deslizamento dos microtúbulos e o movimento do axonema, "diz Ingber." Além disso, enquanto estudos anteriores de dineína revelaram as duas conformações estáticas diferentes da molécula, nossa animação representa visualmente uma maneira plausível de a proteína fazer a transição entre essas formas em resolução atômica, o que é algo que outras simulações não podem fazer. A abordagem da animação também nos permite visualizar como as fileiras de dinossauros funcionam em uníssono, como remadores reunidos em um barco, o que é difícil usando abordagens convencionais de simulação científica. "

p Usando este modelo biologicamente preciso de como a dineína move os microtúbulos dentro do axonema, Ingber e Reilly criaram um curta-metragem chamado "The Beginning, "que traça paralelos entre espermatozoides nadando em direção a um óvulo e naves espaciais voando em direção a um planeta no espaço, dando uma inclinação artística a um tópico científico. O filme mostra vários espermatozoides tentando fertilizar o óvulo, "amplia" a cauda de um espermatozóide para mostrar como as proteínas dineína se movem em sincronia para fazer com que a cauda se curve e flexione, e termina com a jornada bem-sucedida do esperma até o óvulo e o início da divisão celular que acabará por criar um novo organismo. Os cientistas enviaram o filme junto com o artigo para várias revistas acadêmicas, e demorou muito até que eles encontrassem um editor de mente aberta que reconhecesse que o papel e o filme juntos eram uma demonstração poderosa de como começar com um objetivo artístico pode acabar gerando novas descobertas científicas junto com uma ferramenta de alcance público.

p "Tanto a ciência quanto a arte são sobre observação, interpretação, e comunicação. Nosso objetivo é apresentar a ciência ao público de uma forma divertida, forma baseada no sistema, em vez de atrapalhá-los com uma série de fatos dispersos, ajudará mais pessoas a entendê-lo e sentir que podem contribuir para a conversa científica. Quanto mais as pessoas se envolvem com a ciência, mais provavelmente a humanidade resolverá os grandes problemas do mundo, "diz Reilly." Também espero que este artigo e vídeo encorajem mais cientistas a adotar uma abordagem artística quando começarem um novo projeto, não necessariamente para criar uma história baseada em narrativa, mas para explorar sua ideia da mesma forma que um artista explora uma tela, porque isso torna a mente aberta para uma forma diferente de serendipidade que pode levar a resultados inesperados. "

p “O Instituto Wyss é impulsionado pelo design biológico. Neste projeto, usamos ferramentas de design e abordagens emprestadas do mundo da arte para resolver problemas relacionados ao movimento, Formato, e complexidade para criar algo divertido, o que acabou levando a novos insights científicos e, esperançosamente, novas maneiras de estimular o público sobre a ciência, "diz Ingber." Demonstramos que a arte e a ciência podem se beneficiar de uma forma verdadeiramente recíproca, e esperamos que este projeto incentive futuras colaborações com a indústria do entretenimento para que tanto a arte quanto a ciência possam chegar ainda mais perto de retratar a realidade de uma forma que todos possam apreciar e desfrutar. "