De meest realistische animatie van sperma is te zien in een Star Wars-parodie

Films zijn altijd een fantastische manier geweest om wetenschappelijke concepten te verkennen. Dat is vooral duidelijk in films over ruimtereizen, zoals Woman in the Moon (1929), 2001: A Space Odyssey (1968), of Interstellar (2014), die vooral vertrouwden op de kennis van de belangrijkste natuurkundigen van die tijd om zo wetenschappelijk accuraat mogelijk te zijn. Maar zoals biologen van het Wyss Institute op Harvard recent lieten zien, gaat deze invloed niet maar één kant op: films kunnen de wetenschap ook beïnvloeden.

Dat wordt allemaal uitgelegd in een paper gepubliceerd in ACS Nano. Don Ingber en Charles Reilly, de directeur en de microbioloog van het Wyss Institute, werkten samen om de wetenschappelijke korte film The Beginning te maken. De film gaat over de reis van een spermacel naar een eicel, maar dan in de vorm van een Star Wars-parodie. Dit klinkt natuurlijk een beetje als een film die wetenschap hip en cool moet maken voor de kidz, maar er is dankzij deze film wel een nieuwe wetenschappelijk ontdekking gedaan. De wetenschappers ontdekten hoe energie zich door een spermacel beweegt op een moleculair niveau als hij naar een eicel toe zwemt.

De filmindustrie moet vaak veel verschillende datasets gebruiken om realistische 3D-modellen te kunnen maken. Reilly noemt Peter Jacksons King Kong (2005) als een succesvol voorbeeld hiervan. Motioncapture-data moest worden samengevoegd met animaties van vacht en gezichtsuitdrukkingen om de aap op het scherm te toveren.

Doordat Hollywood in staat was om realistische 3D-modellen te maken van zoveel verschillende data, wilde Reilly kijken of dit was toe te passen op de wetenschap.

"De uitdagingen waar de filmindustrie voor staat, lijken erg op die waar wetenschappers mee te maken hebben," vertelde Reilly aan de telefoon. Reilly werkte eerst in de post-productie bij de studio van Peter Jackson voordat hij als wetenschapper bij Wyss Institute aan de slag ging. "De taal is anders, maar onder de motorkap zijn de problemen eigenlijk hetzelfde."

Door de kennis van Hollywood over animatie te combineren met de data van biologen, konden Ingber en Reilly hyperrealistische 3D-modellen van spermacellen maken. Hun doel was om mensen die niet echt blij van droge papers worden, wel enthousiast te krijgen voor wetenschap met cinematische verhalen. En als bonus leverde dat ook weer meer wetenschappelijke inzichten op over hoe spermacellen bewegen.

Er is veel geschreven over hoe een spermacel met zijn staart flappert. In het midden van de staart zit een lange buis die een axoneem heet. Dit buisje bestaat weer uit negen paren buisjes die om een centraal paar heen zitten.

Aan al deze buisjes zit het eiwit dyneïne vast dat als een motortje fungeert. De eiwitten haken zich vast aan andere buisjes in de buurt waardoor er energie vrijkomt als dyneïne ATP omzet in ADP – organische moleculen zijn verantwoordelijk voor de overdracht van energie in cellen – en dat zorgt er voor dat de microbuisjes die aan de dyneïne vastzitten heen en weer bewegen. Dit proces vindt plaats over de hele lengte van de axoneem waardoor de spermacel zich voortbeweegt met zijn karakteristieke zweepslag.

Tot dusver is dat geen nieuwe ontdekking, maar er was nog geen 3D-model dat accuraat was op zowel celniveau, als op moleculair niveau. Hiervoor moest Ingber en Reilly een aantal verschillende softwareplatforms gebruiken om natuurkundige krachten na te maken en te animeren.

"Het was een beetje een bij elkaar geraapt zooitje omdat we allemaal software die normaal niet met elkaar verbonden kan worden, samen moesten laten werken," zei Reilly.

Met hun software-samenraapsel konden Reilly en Ingber een simulatie maken van een dyneïne-eiwit, en als ze kracht uitoefenden op het stukje van het eiwit waar normaalgesproken een ATP-molecuul zich vasthecht en energie vrij laat komen als het verandert in ADP. De wetenschappers vonden dat dit vrijkomen van energie zorgde voor willekeurige bewegingen als het eiwit in een vloeistof dreef. Maar als het verbonden was aan een specifiek punt van van een microbuisje – bijvoorbeeld de staart van de spermacel – bewoog de dyneïne precies zoals de staart van een zaadcel dat in het echt doet.

Deze belangrijke stap vooruit werd niet eerst in een lab ontdekt om er daarna een droog paper van te maken (hoewel er wel een paper is). In plaats daarvan ontstond het toevallig tijdens het maken van een 3D-model van een spermacel dat in een Star Wars-parodie de Death Star moest aanvallen.

Volgens Reilly is dit een duidelijk voorbeeld van hoe belangrijk kunst voor de wetenschap is.

"Het duidelijk in beeld brengen van resultaten is essentieel voor de wetenschap," zei Reilly. "Ik denk dat alle soorten wetenschap veel meer kunnen investeren om verhalen te vertellen en daar veel pragmatischer in kunnen zijn."