Comme beaucoup d'autres scientifiques, Don Ingber, MARYLAND., Doctorat., le directeur fondateur du Wyss Institute, est préoccupé par le fait que les non-scientifiques sont devenus sceptiques et même craintifs à l'égard de son domaine à une époque où la technologie peut offrir des solutions à bon nombre des plus grands problèmes du monde. "Je pense qu'il y a un énorme décalage entre la science et le public parce que c'est décrit comme une mémorisation par cœur dans les écoles, quand par définition, si vous pouvez le mémoriser, ce n'est pas scientifique, " dit Ingber, qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, et professeur de bio-ingénierie à la Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "La science est la poursuite de l'inconnu. Nous avons la responsabilité de tendre la main au public et de transmettre cette excitation de l'exploration et de la découverte, et heureusement, l'industrie cinématographique est déjà excellente pour le faire."

Pour voir si le divertissement pouvait offrir une solution à ce défi, Ingber a fait équipe avec Charles Reilly, Doctorat., un biophysicien moléculaire, animateur professionnel, et scientifique du Wyss Institute qui a précédemment travaillé au studio de cinéma Park Road Post du réalisateur Peter Jackson, pour créer un film qui captiverait l'imagination des téléspectateurs en racontant l'histoire d'un processus biologique qui était précis jusqu'au niveau atomique. "Don et moi avons rapidement découvert que nous avions beaucoup de choses en commun, surtout que nous sommes tous les deux des penseurs systémiques, " dit Reilly. " Appliquer une démarche artistique à la science vous libère de l'approche typiquement réductionniste consistant à analyser une hypothèse particulière et vous apprend une manière différente d'observer les choses. Par conséquent, nous avons non seulement créé un outil divertissant pour la sensibilisation du public, nous avons mené de solides recherches en biologie théorique qui ont conduit à de nouvelles connaissances scientifiques sur les processus à l'échelle moléculaire. » La recherche est maintenant publiée dans ACS Nano .

Tout bon film a besoin de personnages et de drame, et un « crochet » pour que le public s'investisse dans le visionnage. Les scientifiques ont décidé de faire une parodie d'une bande-annonce pour un film Star Wars, mais au lieu de montrer des croiseurs spatiaux fonçant dans l'espace vers l'étoile de la mort, ils ont choisi un processus biologique avec son propre récit intégré :la fécondation d'un ovule par un spermatozoïde, dans lequel des millions de spermatozoïdes font la course pour être celui qui réussit et crée la prochaine génération de vie. Les modèles et la mécanique de la nage des spermatozoïdes ont été étudiés et décrits dans la littérature scientifique, mais montrer visuellement le mouvement précis d'une queue de sperme nécessitait de s'attaquer à l'un des défis les plus difficiles auxquels la science est confrontée aujourd'hui :comment créer un modèle biologique à plusieurs échelles qui maintient la précision à différentes tailles, des cellules jusqu'aux atomes. Ce serait comme commencer par l'Empire State Building, puis zoomer suffisamment près pour voir chaque vis individuelle, écrou et boulon qui le maintient ensemble, ainsi que la façon dont les molécules d'eau individuelles s'écoulent à l'intérieur de ses tuyaux, tout en conservant une résolution cristalline - pas une tâche facile.

"Il s'avère que la création d'un modèle biologique précis et la création d'une représentation crédible de la vie générée par ordinateur dans un film sont très similaires, en ce sens que vous dépannez et modifiez constamment votre objet virtuel jusqu'à ce qu'il corresponde à l'apparence et au mouvement réels des choses, " dit Reilly. " Cependant, pour la biologie, les simulations doivent également s'aligner sur les données scientifiques enregistrées et les modèles théoriques qui ont déjà été validés expérimentalement. la queue des spermatozoïdes se déplace sur la base de données scientifiques, avec le critère que le modèle devait fonctionner sur toutes les échelles de taille. "C'est vraiment une approche de design thinking, où vous devez être prêt à jeter votre modèle s'il ne fonctionne pas correctement lorsque vous l'intégrez avec des données d'une autre échelle, " dit Reilly. " Beaucoup d'enquêtes scientifiques utilisent une approche réductionniste, se concentrer sur une molécule ou un système biologique avec une résolution de plus en plus élevée sans le replacer dans son contexte, ce qui rend difficile de converger vers une image d'un tout plus large."

Le noyau de la queue en forme de fouet d'un spermatozoïde est l'axonème, un long tube constitué de neuf paires de microtubules disposées en colonne autour d'une paire centrale, qui s'étendent sur toute la longueur de la queue. La flexion et l'étirement rythmiques de l'axonème sont à l'origine du mouvement de la queue, et les scientifiques savaient qu'ils devaient représenter ce processus de manière réaliste afin de montrer aux spectateurs du film comment un spermatozoïde se déplace. Plutôt que de construire un modèle de manière linéaire en "zoomant" ou "zoomant" pour ajouter plus d'informations à une structure de départ unique, ils ont construit le modèle à différentes échelles simultanément, la vérifiant à plusieurs reprises par rapport aux données scientifiques pour s'assurer qu'elle était exacte et la modifiant jusqu'à ce que les pièces s'emboîtent.

Le mouvement de l'axonème est accompli via des rangées de protéines motrices appelées dynéines qui sont attachées le long des microtubules et exercent une force sur eux afin que les microtubules "glissent" les uns sur les autres, ce qui provoque alors la flexion et le déplacement de l'ensemble de l'axonème et de la queue du spermatozoïde. La protéine dynéine a une longue partie "bras" qui s'accroche au microtubule voisin et, lorsque la protéine passe d'une forme à une autre, entraîne le microtubule avec lui. La dynéine bascule entre ces différentes conformations à la suite de la conversion d'une molécule d'ATP en ADP à un site de liaison spécifique sur la protéine, qui libère de l'énergie lorsqu'une liaison chimique est rompue. Pour modéliser ce moteur moléculaire, les scientifiques ont créé une simulation de dynamique moléculaire d'une protéine de dynéine et appliqué de l'énergie au site de liaison de l'ATP pour se rapprocher du transfert d'énergie de l'ATP. Ils ont découvert que cela provoquait le déplacement des atomes de la protéine entière dans des directions aléatoires lorsqu'ils effectuaient leur simulation de la dynéine flottant en solution, comme le font la plupart des simulations scientifiques conventionnelles. Cependant, quand ils ont ensuite "fixé" une région charnière spécifique de la molécule de dynéine qui est connue pour connecter la dynéine à son microtubule, ils ont découvert que la dynéine se déplaçait spontanément dans sa direction caractéristique lorsqu'une force était appliquée au site de liaison de l'ATP, correspondant à la façon dont il se déplace dans la nature.

"Non seulement notre système de simulation et d'animation basé sur la physique est aussi bon que d'autres systèmes de modélisation basés sur les données, cela a conduit à la nouvelle idée scientifique que le mouvement limité de la charnière de la dynéine concentre l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP, qui provoque le changement de forme de la dynéine et entraîne le glissement des microtubules et le mouvement de l'axonème, " dit Ingber. " De plus, alors que des études antérieures sur la dynéine ont révélé les deux conformations statiques différentes de la molécule, notre animation représente visuellement une manière plausible dont la protéine peut passer d'une forme à l'autre à une résolution atomique, ce qui est quelque chose que les autres simulations ne peuvent pas faire. L'approche d'animation nous permet également de visualiser comment les rangées de dynéines fonctionnent à l'unisson, comme des rameurs qui se rassemblent dans un bateau, ce qui est difficile avec les approches de simulation scientifique conventionnelles.

En utilisant ce modèle biologiquement précis de la façon dont la dynéine déplace les microtubules dans l'axonème, Ingber et Reilly ont créé un court métrage intitulé "The Beginning, " qui établit des parallèles entre le sperme nageant vers un ovule et les vaisseaux spatiaux volant vers une planète dans l'espace, donner un penchant artistique à un sujet scientifique. Le film dépeint plusieurs spermatozoïdes essayant de féconder l'ovule, "zoomer" sur la queue d'un spermatozoïde pour montrer comment les protéines de dynéine se déplacent de manière synchronisée pour faire plier et fléchir la queue, et se termine par le voyage réussi du sperme dans l'ovule et le début de la division cellulaire qui créera finalement un nouvel organisme. Les scientifiques ont soumis le film avec l'article à plusieurs revues académiques, et il leur a fallu beaucoup de temps avant de trouver un éditeur à l'esprit ouvert qui reconnaisse que le papier et le film ensemble étaient une démonstration puissante de la façon dont commencer par un objectif artistique peut finir par générer de nouvelles découvertes scientifiques ainsi qu'un outil de sensibilisation du public.

"La science et l'art sont tous deux une question d'observation, interprétation, et communication. Notre objectif est de présenter la science au public de manière divertissante, manière basée sur le système, plutôt que de les embourber dans une série de faits épars, cela aidera plus de gens à le comprendre et à sentir qu'ils peuvent contribuer à la conversation scientifique. Plus les gens s'engagent dans la science, plus l'humanité a de chances de résoudre les grands problèmes du monde, " dit Reilly. " J'espère également que cet article et cette vidéo encourageront davantage de scientifiques à adopter une approche artistique lorsqu'ils démarrent un nouveau projet, pas nécessairement pour créer une histoire basée sur la narration, mais pour explorer leur idée comme un artiste explore une toile, parce que cela ouvre l'esprit à une autre forme de sérendipité qui peut conduire à des résultats inattendus."

"Le Wyss Institute est guidé par la conception biologique. Dans ce projet, nous avons utilisé des outils de conception et des approches empruntés au monde de l'art pour résoudre des problèmes liés au mouvement, former, et la complexité pour créer quelque chose de divertissant, qui a finalement conduit à de nouvelles connaissances scientifiques et, avec un peu de chance, de nouvelles façons d'intéresser le public à la science, " dit Ingber. " Nous avons démontré que l'art et la science peuvent s'enrichir mutuellement d'une manière vraiment réciproque, et nous espérons que ce projet stimulera de futures collaborations avec l'industrie du divertissement afin que l'art et la science puissent se rapprocher encore plus de la représentation de la réalité d'une manière que tout le monde puisse apprécier et apprécier."