Come molti altri scienziati, Don Ingber, M.D., dottorato di ricerca, il Direttore Fondatore del Wyss Institute, è preoccupato che i non scienziati siano diventati scettici e persino timorosi del suo campo in un momento in cui la tecnologia può offrire soluzioni a molti dei più grandi problemi del mondo. "Sento che c'è un'enorme disconnessione tra la scienza e il pubblico perché è rappresentata come memorizzazione meccanica nelle scuole, quando per definizione, se riesci a memorizzarlo, non è scienza, "dice Ingber, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e il Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, e Professore di Bioingegneria presso la Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "La scienza è la ricerca dell'ignoto. Abbiamo la responsabilità di raggiungere il pubblico e trasmettere quell'entusiasmo di esplorazione e scoperta, e per fortuna, l'industria cinematografica è già bravissima a farlo".

Per vedere se l'intrattenimento potrebbe offrire una soluzione a questa sfida, Ingber ha collaborato con Charles Reilly, dottorato di ricerca, un biofisico molecolare, animatore professionista, e Staff Scientist presso il Wyss Institute che in precedenza ha lavorato presso lo studio cinematografico Park Road Post del regista Peter Jackson, creare un film che catturasse l'immaginazione degli spettatori raccontando la storia di un processo biologico accurato fino al livello atomico. "Don e io abbiamo scoperto subito che abbiamo molte cose in comune, soprattutto che siamo entrambi pensatori di sistemi, " dice Reilly. "Applicare un processo artistico alla scienza ti libera dall'approccio tipicamente riduzionista di analizzare una particolare ipotesi e ti insegna un modo diverso di osservare le cose. Di conseguenza, non solo abbiamo creato uno strumento di intrattenimento per la sensibilizzazione del pubblico, abbiamo condotto una solida ricerca di biologia teorica che ha portato a nuove conoscenze scientifiche sui processi su scala molecolare." La ricerca è ora pubblicata in ACS Nano .

Ogni buon film ha bisogno di personaggi e drammi, e un "gancio" per invogliare il pubblico a guardare. Gli scienziati hanno deciso di fare una parodia di un trailer di un film di Star Wars, ma invece di mostrare incrociatori di astronavi che sfrecciano nello spazio verso la Morte Nera, hanno scelto un processo biologico con una propria narrativa incorporata:la fecondazione di un uovo da parte di uno spermatozoo, in cui milioni di spermatozoi corrono per essere quello che ha successo e crea la prossima generazione di vita. I modelli e la meccanica del nuoto spermatico sono stati studiati e descritti nella letteratura scientifica, ma mostrare visivamente il movimento accurato di una coda dello sperma ha richiesto di affrontare una delle sfide più difficili che la scienza deve affrontare oggi:come creare un modello biologico multiscala che mantenga l'accuratezza a diverse dimensioni, dalle cellule fino agli atomi. Sarebbe come iniziare con l'Empire State Building e poi ingrandire abbastanza da vedere ogni singola vite, dado e bullone che lo tiene insieme, così come come le singole molecole d'acqua scorrono all'interno dei suoi tubi, pur mantenendo una risoluzione cristallina - un compito non facile.

"Si scopre che la creazione di un modello biologico accurato e la creazione di una rappresentazione credibile della vita generata al computer nel film sono molto simili, in quanto stai costantemente risolvendo i problemi e modificando il tuo oggetto virtuale finché non si adatta al modo in cui le cose effettivamente appaiono e si muovono, " dice Reilly. "Tuttavia, per la biologia, le simulazioni devono anche allinearsi con dati scientifici registrati e modelli teorici che sono stati precedentemente convalidati sperimentalmente." Gli scienziati hanno creato una pipeline di animazione basata sul design che integra un software di animazione cinematografica basato sulla fisica con un software di simulazione della dinamica molecolare per creare un modello di come un la coda dello sperma si muove sulla base di dati scientifici, con il criterio che il modello doveva funzionare su tutte le scale dimensionali. "Questo è davvero un approccio al design thinking, dove devi essere disposto a buttare via il tuo modello se non funziona correttamente quando lo integri con i dati di un'altra scala, " Dice Reilly. "Molte ricerche scientifiche utilizzano un approccio riduzionista, concentrandosi su una molecola o un sistema biologico con risoluzione sempre più alta senza collocarlo nel contesto, il che rende difficile convergere su un'immagine del tutto più ampio."

Il nucleo della coda a forma di frusta di uno spermatozoo è l'assonema, un lungo tubo costituito da nove paia di microtubuli disposti in colonna attorno ad una coppia centrale, che si estendono per l'intera lunghezza della coda. Il piegamento e l'allungamento ritmici dell'assonema sono la fonte del movimento della coda, e gli scienziati sapevano di aver bisogno di rappresentare realisticamente quel processo per mostrare agli spettatori del film come si muove uno spermatozoo. Piuttosto che costruire un modello in modo lineare "ingrandendo" o "rimpicciolindo" per aggiungere più informazioni a una singola struttura di partenza, hanno costruito il modello a scale diverse contemporaneamente, controllandolo ripetutamente rispetto ai dati scientifici per assicurarsi che fosse accurato e modificandolo fino a quando i pezzi non si incastrano.

Il movimento dell'assonema si realizza tramite file di proteine ​​motorie chiamate dineine che sono attaccate lungo i microtubuli ed esercitano una forza su di essi in modo che i microtubuli "scivolino" l'uno sull'altro, che poi fa piegare e muovere l'intero assonema e la coda dello sperma. La proteina dineina ha una lunga porzione a "braccio" che si attacca al microtubulo vicino e, quando la proteina cambia da una forma all'altra, trascina con sé il microtubulo. La dineina commuta tra queste diverse conformazioni come risultato della conversione di una molecola di ATP in ADP in uno specifico sito di legame sulla proteina, che rilascia energia quando un legame chimico viene rotto. Per modellare questo motore molecolare, gli scienziati hanno creato una simulazione di dinamica molecolare di una proteina dineina e hanno applicato energia al sito di legame dell'ATP per approssimare il trasferimento di energia dall'ATP. Hanno scoperto che questo faceva muovere gli atomi dell'intera proteina in direzioni casuali quando eseguivano la simulazione della dineina che galleggiava in soluzione, come fanno la maggior parte delle simulazioni scientifiche convenzionali. Però, quando hanno poi "fissato" una specifica regione cerniera della molecola di dineina che è nota per collegare la dineina al suo microtubulo, hanno scoperto che la dineina si muoveva spontaneamente nella sua direzione caratteristica quando la forza veniva applicata al sito di legame dell'ATP, corrispondente al modo in cui si muove in natura.

"Non solo il nostro sistema di simulazione e animazione basato sulla fisica è buono come altri sistemi di modellazione basati su dati, ha portato alla nuova intuizione scientifica che il movimento limitato della cerniera della dineina concentra l'energia rilasciata dall'idrolisi dell'ATP, che provoca il cambiamento di forma della dineina e guida lo scorrimento dei microtubuli e il movimento dell'assonema, " dice Ingber. "Inoltre, mentre studi precedenti sulla dineina hanno rivelato le due diverse conformazioni statiche della molecola, la nostra animazione rappresenta visivamente un modo plausibile in cui la proteina può passare tra quelle forme a risoluzione atomica, che è qualcosa che altre simulazioni non possono fare. L'approccio dell'animazione ci consente anche di visualizzare come le file di dineine funzionano all'unisono, come rematori che tirano insieme su una barca, che è difficile usare approcci di simulazione scientifica convenzionali."

Utilizzando questo modello biologicamente accurato di come la dineina muove i microtubuli all'interno dell'assonema, Ingber e Reilly hanno creato un cortometraggio intitolato "The Beginning, " che traccia parallelismi tra lo sperma che nuota verso un uovo e le astronavi che volano verso un pianeta nello spazio, dare una piega artistica a un argomento scientifico. Il film descrive diversi spermatozoi che tentano di fecondare l'uovo, "ingrandisce" la coda di uno spermatozoo per mostrare come le proteine ​​dineina si muovono in sincronia per far piegare e flettere la coda, e termina con il viaggio di successo dello spermatozoo nell'uovo e l'inizio della divisione cellulare che alla fine creerà un nuovo organismo. Gli scienziati hanno inviato il film insieme al documento a diverse riviste accademiche, e ci è voluto molto tempo prima che trovassero un editore dalla mentalità aperta che riconoscesse che la carta e il film insieme erano una potente dimostrazione di come iniziare con un obiettivo artistico può finire per generare nuove scoperte scientifiche insieme a uno strumento per la divulgazione pubblica.

"Sia la scienza che l'arte riguardano l'osservazione, interpretazione, e comunicazione. Il nostro obiettivo è presentare la scienza al pubblico in modo divertente, metodo basato sul sistema, piuttosto che impantanarli con una serie di fatti sparsi, aiuterà più persone a capirlo ea sentire di poter contribuire alla conversazione scientifica. Più persone interagiscono con la scienza, più è probabile che l'umanità risolva i grandi problemi del mondo, " dice Reilly. "Spero anche che questo documento e questo video incoraggino più scienziati ad adottare un approccio artistico quando iniziano un nuovo progetto, non necessariamente per creare una storia basata sulla narrazione, ma per esplorare la loro idea come un artista esplora una tela, perché questo rende la mente aperta a una diversa forma di serendipità che può portare a risultati inaspettati".

"Il Wyss Institute è guidato dal design biologico. In questo progetto, abbiamo utilizzato strumenti e approcci progettuali presi in prestito dal mondo dell'arte per risolvere problemi legati al movimento, modulo, e complessità per creare qualcosa di divertente, che alla fine ha portato a nuove intuizioni scientifiche e, auspicabilmente, nuovi modi per appassionare il pubblico alla scienza, " dice Ingber. "Abbiamo dimostrato che l'arte e la scienza possono avvantaggiarsi a vicenda in modo veramente reciproco, e speriamo che questo progetto stimoli future collaborazioni con l'industria dell'intrattenimento in modo che sia l'arte che la scienza possano avvicinarsi ancora di più alla rappresentazione della realtà in modi che chiunque possa apprezzare e apprezzare".