スターウォーズが精子について科学者に教えたこと

チャールズ・ライリーとドナルド・イングバーが短編映画『イン・ザ・ビギニング』の制作に着手したとき、それは『スター・ウォーズ』への一種のオマージュであり（ネタバレ注意）、卵子を受精させるための文字通りの生死をかけた競争で勝利を収めた一匹の精子の物語だったが、彼らの目標はただ一つだった。

ハーバード大学ワイス生物学工学研究所の創設所長であるイングバー氏と、同じくワイス研究所の生化学研究者であるライリー氏は、アニメ映画を科学的に正確なものにしたいと考えていました。これを実現するために、2 人は研究室よりも映画でよく使われる技術に頼りました。彼らは、ビデオゲームのデザイナーや映画のアニメーターが通常使用するデジタル画像処理ソフトウェアを探しました。

彼らは映画のような栄光を勝ち取っただけでなく、科学の枠をはるかに超えたところまで到達することで、新たな発見にたどり着くことができた。それは、精子がスピード欲を満たすために尾を前後に振る分子レベルのメカニズムの解明である。この結果は、 ACS Nano誌に本日発表された。

イングバー氏とライリー氏は、芸術を科学に取り入れることに関しては初心者ではない。大学院生だったイングバー氏が、バックミンスター・フラーの建築界から生まれた彫刻に偶然出会ったことが、テンセグリティ（バックミンスター・フラーの独創的なジオデシック・ドームに軽さと強さを与えている張力）が、建物の構造や人体だけでなく分子構造にも当てはまるという理論につながった。

「人工構造物のほとんどは、レンガの重さが他のレンガの重さを増すように、重力に依存しています」とイングバー氏は言う。「ストーンヘンジを考えてみてください。石は重力によって安定した形を保っています。一方が他方を圧縮しているのです。しかし、横からぶつかるとドミノ倒しのように倒れてしまいます。」

それに比べて、テンセグリティは、継続的な圧縮ではなく継続的な張力に依存しています。それが人間の体の構造です。私たちは、一連の筋肉、腱、靭帯によって引っ張られた、圧縮に強い骨を持っています。これにより、私たちは歩き回ることができ、横からぶつかってもすぐに倒れることはありません。バッキー・フラーの研究との出会いにより、イングバーは、細胞が細胞骨格（文字通り、細胞の骨格）を持ち、それが同様に機能することを知りました。細胞には、圧縮微小管（大まかに言えば、人間の骨に相当する）があり、腱のような働きをする張力のあるラクトマイシンフィラメントがあります。これらのフィラメントの張力が、細胞の形状と硬さを決定します。

おそらく、その形成期の経験が、ライリーが最初に連絡してきたときにイングバーが受け入れる心構えをさせたのだろう。ライリーは分子生物物理学者だが、博士号を取得する前は、ピーター・ジャクソン監督のポストプロダクション映画スタジオ、パーク・ロード・ポストで働いていた。このスタジオは、とりわけ『ロード・オブ・ザ・リング』 、 『キングコング』 、 『ピートとドラゴン』などの特殊効果作業を担当している。ライリーは科学のために映画業界を離れた後も、副業としてデジタルアニメーションのスキルを磨き続けた。ライリーが連絡してきたのは、アニメーションは科学を一般の人々に理解してもらうためにもっと有効に活用できると感じたからだ。

両研究者は、細胞や分子の世界の描写のほとんどに欠けているのは信憑性だと感じていました。細胞の世界とより広い生物学的世界の描写は往々にしてつながっていません。たとえば、人間の肝臓を構成する細胞と肝臓自体のつながりを視覚化するのは困難です。肝臓が人体とどのようにつながっているのか、また人体がより広範な生態系とどのようにつながっているのかを概念化するのはさらに困難です。彼らは、ハリウッドの大作映画の制作で一般的に使用されるソフトウェアを使用してこれらの描写を改善することで、一般の人々がこうした科学的なつながりをよりよく理解するのに役立つだけでなく、実際に科学も進歩することを期待していました。In the Beginning は単なる概念実証でしたが、期待をはるかに上回るものでした。

身体を動かす

デジタルアニメーションや特殊効果ソフトウェアが科学研究を進歩させることができると奇妙に思えるなら、おそらく標準的なピクサー映画に物理学がどれほど取り入れられているか気づいていないのでしょう。

人間の視覚は完璧とは程遠い。しかし、私たちはしばしばフォトショップに騙され、脳が視覚情報を補う方法があらゆる種類のマインドトリップにつながる一方で、画面上の物体の動きを見ているとき、その動きが少しずれているとそれを検出するコツを私たちは知っている。動きが正確でなかったり、表面から反射する光が十分にリアルに見えなかったりすると、日本のロボット工学者、森政弘氏が不気味の谷と呼ぶ状態に陥る。ほとんど本物に見えるが、完全には本物ではないものは、通常私たちを怖がらせ、目をそらす傾向がある。これは、映画を見ている人にしてもらいたいこととはまったく逆のことだ。

その結果、「目標は常に視覚的なリアリズムでした」と、視覚効果ソフトウェア会社 SideFx の技術オペレーション担当副社長、ルーク・ムーア氏は言います。「見た目を正しくするには、非常に正確な物理特性を作成する必要があることがわかりました。私たちは、非常に正確な科学的物理シミュレーションを作成しました。」

SideFx は Houdini というビジュアル エフェクトおよび 3D アニメーション ツールを製造しており、Ingber 氏と Reilly 氏はこれをIn the Beginning の制作に使用しました。Houdiniのおかげで、 Moanaの海、 Game of Thronesの爆発、炎、霧、 Guardians of the Galaxy 2の Ego の宮殿、そして一連のゲームが誕生しました。Houdini は Electronic Arts (EA) などの企業と密接に連携しています。

ライリー氏は Houdini をビジュアル プログラミング言語に例えています。ユーザーは、従来のビジュアル編集ソフトウェアと同じように直感的に操作できますが、ペイント ブラシの代わりに数学的な操作とルールを使用して芸術的な探求を行います。科学的モデリング ソフトウェアに適用されるのと同じ物理的原理が Houdini に組み込まれています。ただし、科学的モデルは精度に重点が置かれているため、非常に遅くなることがあります。Houdini では速度が少し重視されています。シミュレーションの精度は不気味の谷を回避できるほど高く、プロトタイプ作成もかなり高速に行えます。

「これで、十分に良いものをそこに残すことができますが、どこに線からはみ出して色を塗ったかがわかります」とライリーは言います。「その後、必要に応じていつでも戻ってやり直すことができますが、やり直す必要がないことが判明するかもしれません。また、モデル化に 2 週間の時間を無駄にすることもありませんでした。」

この流動性は、生物系のモデリングにとって特に重要です。実験データは不正確であるため、従来のエンジニアリング ソフトウェアでは必ずしも適合しないからです。Houdini により、研究者はさまざまなデータ セットにさまざまな重み付けを適用できるようになり、組み合わせたり、直感的に探索したりできるようになりました。

イングバーとライリーは、デス・スターに砲撃するXウイング・スターファイターの代わりに、別の種類の排熱口を狙う精子、つまり卵子を受精させるために競争する精子を選んだ。彼らの映画にとって重要だったのは、軸糸と呼ばれる精子の尾部を正確に描写することだった。軸糸は、長い中央の対の周りに9対の微小管が一列に並んでいる管である。これを適切にアニメ化するには、原子レベルに至るまで正確な生物学的モデルを維持する必要があった。

分子動力学では、分子の形状や機能の変化を予測するために、2 つの方法のうちの 1 つを使っていると、イングバー氏は言います。科学者は分子を硬くして、つまり基本的にその場で固定することができます。分子は常に振動し、柔軟性とさまざまな形状を経験していますが、この方法では、人物のスナップショットのように非常に高い解像度が得られますが、その人物が踊っているのか、それとも落下しているのかはわかりません。あるいは、ノーベル賞を受賞したばかりの技術であるクライオ電子顕微鏡法を使用します。この方法では、分子が揺れ、揺れ、波打つ様子がすべて表示されますが、解像度は比較的低くなります。

通常、こうした異なる種類の情報を簡単に解決する方法はない。iOS の絵文字を Android デバイスで読むようなものだ。しかし、アニメーション ソフトウェアの手法により、イングバー氏とライリー氏は異なるスケールで同時にモデルを構築し、ピースがぴったり合うまで修正し、データを確認してフィットすることを確認することができた。絵の一部だけを使ってパズルを組み立てるようなものだ。通常よりも試行錯誤が必要になるかもしれないが、ある時点を過ぎると、手元にあるデータに基づいてパズルをはめ込む方法は 1 つしかない。スケール間を移動できる能力により、研究者たちはダイニンと呼ばれる分子モーターが精子の尾部内部でどのように運動を駆動するかについて新たな知見を得ることができた。

ダイニンタンパク質は微小管に沿って付着している。ダイニンは、タンパク質の特定の結合部位でアデノシン三リン酸（ATP）と呼ばれる分子がアデノシン二リン酸（ADP）に変換されると形状が変化し、化学結合が切断されてエネルギーが放出される。その際、ダイニンの形状変化の方法により、ダイニンは微小管をつかむか、微小管に力を加えることになり、その結果、精子の尾が曲がって動く。ダイニンがエンジンなら、ATPはガソリンだ。新しいATPがその部位に結合すると、ダイニンは元に戻り、精子特有のくねくねした動きにつながる。研究者らは、ボートの漕ぎ手が一緒に漕ぐように、ダイニンの列が一斉に動く様子を視覚化することができた。

こうした洞察は、映画用のモデリングがなければ得られなかったでしょう。

サイロを超えて

SideFX は、自社のソフトウェアを利用した研究に直接関与していませんでしたが、ムーア氏はこの研究について聞いて興奮しました。「それが起こり始めていること、これまであまり話をしていなかったさまざまな分野の人々が話すようになったことを聞いてうれしく思います」と同氏は言います。「それが私を驚かせました。そこには大きな可能性があります。」

そして、このように考えているのは彼だけではない。

ライリー氏は、彼らの最大の功績は精子の運動性の謎を解いたことではなく、それをどのように解いたか、つまりさまざまな分野の資産やツールを借用した点にあると考えている。彼は、医薬品開発と疾患モデルの研究に関して、科学分野とエンターテインメント分野の間には無限の重なり合う可能性があると考えている。

「SF映画があって、その映画にウイルスの画像を入れたいと想像してみてください」とライリーは言う。映画製作者は研究者と協力してウイルスをモデル化できる。映画は信じられないほど正確なウイルスの描写で終わるだろうし、科学者たちはその過程で実際にウイルスについて学ぶことができる。

「そこにはたくさんの仕事があり、芸術と科学者の接点を越えた​​たくさんの会議があります。多くの場合、芸術家は科学で何が起こっているかを理解して、それを一般の人々に伝えようとしています」とイングバーは同意します。「通常、科学者はそれを軽蔑します。なぜなら、それが科学の進歩にはあまり役立たないからです。ここでは、芸術、この場合はエンターテインメントの進歩が実際に科学のプロセスを前進させることができる例があります。そして、それが私たちがとても興奮していることだと思います。」

だから、次にデジタルアニメーション効果満載の夏の大ヒット映画を見るときは、その映画が科学者に致命的な病気と戦う方法を見つけ出す手助けをしていたなら、どれほど素晴らしいだろうと自問してみてください。