Como muchos otros científicos, Don Ingber, MD, Ph.D., Director Fundador del Instituto Wyss, está preocupado porque los no científicos se han vuelto escépticos e incluso temerosos de su campo en un momento en que la tecnología puede ofrecer soluciones a muchosde 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 elJudah Folkman, profesor de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y del 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 unresponsabilidad de llegar al público y transmitir esa emoción de exploración y descubrimiento, y afortunadamente, la industria del cine ya es excelente en hacerlo ".
Para ver si el entretenimiento podía ofrecer una solución a este desafío, Ingber se asoció con Charles Reilly, Ph.D., biofísico molecular, animador profesional y científico de planta del Instituto Wyss que anteriormente trabajó en Park Road, del director de cine Peter Jackson.Post-film studio, 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 queAmbos pensamos en sistemas ", 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 entretenidapara 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 el público se interese en mirar. Los científicos decidieron hacer una parodia de un avance de una película de Star Wars, pero en lugar de mostrar cruceros de naves espaciales a toda velocidad a través del espacio hacia elEstrella 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 deLa natación de los espermatozoides se ha 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 hoy en día: cómo crear un modelo biológico de múltiples escalas que mantenga la precisión en diferentes tamaños, desde las células.hasta los átomos. Sería como empezar con el Empire State Building y luego acercar el zoom lo suficiente para ver cada tornillo, tuerca y perno que lo mantiene unido, así comocómo las moléculas de agua individuales fluyen dentro de sus tuberías, mientras mantienen una resolución cristalina, no es una tarea fácil.
"Resulta que crear un modelo biológico preciso y crear una representación creíble de la vida generada por computadora en una película es muy similar, ya 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 la biología, las simulaciones también deben 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 consoftware de simulación de dinámica molecular para crear un modelo de cómo se mueve la cola de un espermatozoide basado 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, en el que hay que estar dispuesto a lanzarsu modelo si no funciona correctamente cuando lo integra con datos de otra escala ", dice Reilly." Muchas investigaciones científicas utilizan una aplicación reduccionistacucaracha, centrándose 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 del todo más grande ".
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. Flexión y estiramiento rítmicos del axonemaes 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, verificándolo repetidamente con datos científicos para asegurarse de que fuera preciso y modificándolo hasta que las piezas encajen.
El movimiento del axonema se logra a través de filas de proteínas motoras llamadas dineínas que se adhieren a los microtúbulos y ejercen fuerza sobre ellos para que los microtúbulos se "deslicen" entre sí, lo que 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 ella. La dineína cambia entre estas diferentes conformaciones como resultado de la conversión de una molécula deATP a ADP en un sitio de unión específico de 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 de ATP para aproximar eltransferencia de energía del ATP. Descubrieron que esto provocaba que los átomos de toda la proteína se movieran en direcciones aleatorias cuando realizaban su simulación de dineína flotando en solution, 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 laforma en que se mueve en la naturaleza.
"Nuestro sistema de simulación y animación basado en la física no solo es tan bueno como otros sistemas de modelado basados en datos, sino que también 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 provocacambia de forma e impulsa el deslizamiento de los microtúbulos y el movimiento del axonema ", dice Ingber." Además, aunque estudios previos de dineína han revelado las dos conformaciones estáticas diferentes de la molécula, nuestra animación muestra visualmente una forma plausible en la que la proteína puede hacer la transición entre esas formas a 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 ".
Utilizando este modelo biológicamente preciso de cómo la dineína mueve los microtúbulos dentro del axonema, Ingber y Reilly crearon un cortometraje llamado "The Beginning", que traza paralelismos entre los espermatozoides que nadan hacia un óvulo y las naves espaciales que vuelan hacia un planeta en el espacio, dando unaartística inclinada hacia 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 éxito del esperma.viaje 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 elel papel y la película juntos fueron 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, la interpretación y la comunicación. Nuestro objetivo es que presentar la ciencia al público de una manera entretenida y basada en el sistema, en lugar de empantanarlos con una serie de hechos dispersos, ayudará a másla gente lo entiende y siente que puede contribuir a la conversación científica. Cuanta más gente se involucre con la ciencia, más probabilidades hay de que la humanidad resuelva los grandes problemas del mundo ", dice Reilly." También espero que este artículo y video alienten a más científicos aAdoptar un enfoque artístico cuando comienzan un nuevo proyecto, no necesariamente para crear una historia basada en la narrativa, sino para explorar su idea de la misma manera en que un artista explora un lienzo, porque eso hace que la mente se abra a una forma diferente de serendipia que puede llevar aresultados 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, la forma y la complejidad para crear algo entretenido, que finalmente condujo a nuevos conocimientos científicosy, con suerte, nuevas formas de entusiasmar al público con 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 entretenimientoque tanto el arte como la ciencia pueden acercarse aún más a representar la realidad de formas que cualquiera pueda apreciar y disfrutar ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica en Harvard . Original escrito por Lindsay Brownell. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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