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精子の動きを再現するCGアニメが生物学の進歩にも貢献した

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精子が動きまわる短編3Dアニメが、精子のかつてなかったほど詳細なモデルとして、大きな科学的価値を持つことになった。あの中で一体何が起きているのか、前から関心があった方にも、たいへん参考になるだろう。

ハーバード大学Wyss研究所のDon Ingberが、生物学的過程を原子のレベルで正確に視覚化したい、と考えた。呼吸でも視覚でもなんでも、きわめて複雑な過程だが、でも、精子が卵子に殺到して、自分を卵子に埋没させていく過程は、単純かつ、彼の制作努力に見合うほど十分にドラマチックだろう。

彼は、同じくWyssにいて映画畑で働いたことのあるCharles Reillyとコンビを組んだ。絵コンテは作ったが、精子の長い尾のアニメーションで難航した。尾の動きは、精子の推力を作り出している。二人は精子の動きに関して大量の文献を読んだが、マクロのレベルで見るような単一のモデルを作ることには役に立たなかった。尾の実際の動きは、原子のレベルで起きていることの直接の結果だった(分子モーターが動きを作り出す)。

しかし、ばらばらの知識をとにかく大量に寄せ集めて、精子のさまざまな実態に合ったモデルを作ることに成功した。精子の尾の動きという過程を原子〜分子レベルで視覚化すると、きわめてユニークな映像になった(下図)。尾を構成しているのは長い軸糸(axonemes)と呼ばれる原子の構造で、それらのあいだにダイニン(dynein)と呼ばれる酵素分子が並んでいるのだ。

その原子レベルの動きの全体を、彼らの短編アニメで見ることができる。それは見ておもしろいだけでなく、ダイニンが関与している、ボートの漕ぎ手のような動きを、エレガントに説明している。おまけに、科学的価値も高い。

IngberがWyssのニュースリリースで説明している:

われわれの物理学レベルのシミュレーションとアニメーションシステムは、そのほかの、データに基づくモデリングシステムと比べても遜色はなく、またそれだけでなく、新しい科学的知見にも導く。すなわち、ダイニンヒンジの制約された動きが、ATPの加水分解(ATP hydrolysis)によってリリースされるエネルギーをフォーカスすることである。それによってダイニンの形が変わり、微小管の滑動と軸糸の動きを駆動する。

さらに、ダイニンのこれまでの研究により、その分子の二つの異なる静的配座が明らかとなったが、われわれのアニメーションは、それら二つの形状の間をプロテインが遷移する、ひとつの妥当な様相を示している。それは、他のシミュレーションにできなかったことだ。またアニメーションによって、ダイニンの列が一斉に働く様子を視覚化でき、それはボート競技の漕ぎ手たちの揃った動きを連想させる。これも、従来の科学的シミュレーションの方法では困難である。

彼らがこの短編アニメーションで見せていることは、精子の実際の動きの理解を、一歩前進させることに役立つだろう。

では、アニメの最終バージョン、“The Beginning”をご覧いただこう:

それは、奇異であると同時に優れた作品だ。これを実際に作れたことは、喜ばしい。

Ingberは語る: “われわれは、アートとサイエンスが本当に互恵的に互いの役に立つことを実証できた。このプロジェクトが今後のさらなるコラボレーションを喚起し、アートとサイエンスの密接な協働がエンターテインメント産業でも活用されて現実を描き出し、万人がそれらを楽しめることを期待したい”。

このアニメの創作過程は、ジャーナルACS Nanoにドキュメントされている。

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(翻訳:iwatani(a.k.a. hiwa))