021-22889554
021-26703715
مشاوره آموزشی رایگان

021-22889554  |  021-26703715 مشاوره آموزشی رایگان

چگونه پویانمایی می تواند به دانشمندان در آزمودن فرضیاتشان کمک کند

Janet Iwasa

How animations can help scientists test a hypothesis

3D animation can bring scientific hypotheses to life. Molecular biologist (and TED Fellow) Janet Iwasa introduces a new open-source animation software designed just for scientists.


تگ های مرتبط :

TED Fellows, Biology, Science
به این نقاشی نگاه کنید. می تونید بگید چیه؟ من دانش آموخته زیست شناسی مولکولی هستم، و یه عالمه از این نقاشی ها دیده ام. معمولاً به اینها میگویند تصویر شماتیک، یه نقاشی که نشان میده چه برداشتی از یه فرآیند سلولی یا مولکولی داریم. این نقاشی خاص مربوط به فرآیندی به نام درون‌رانی (اندوسیتوز) با واسطه کلاترین است. از طریق این فرآیند یک مولکول میتونه از خارج سلول به داخل سلول بره به این طریق که توسط یک حبابچه یا ریزکیسه (وزیکول) گرفته شده و بعد توسط سلول به داخل کشیده میشه. البته این نقاشی یک مشکل داره،
و بیشتر آن چیزی است که نمی توان نشان داد. آزمایش های زیادی توسط دانشمندان مختلف انجام شده، که در نتیجه آنها ما اطلاعات زیادی درباره شکل این مولکولها، نحوه حرکت آنها در اطراف سلول، و این نکته داریم که همه این اتفاقات در یک محیط فوق العاده پویا رخ میدهد. من با همکاری توماس کرچ هاوزن، متخصص زیست شناسی سلولی، تصمیم گرفتیم تصویر شماتیک جدیدی از کلاترین درست کنیم که همه این چیزها را نشان دهد. پس، از خارج سلول شروع می کنیم. حالا به داخل نگاه می کنیم. کلاترین ها مولکولهای سه پایه هستند
که خودشان با هم ترکیب شده به شکل توپ فوتبال در می آیند. کلاترین با اتصال به غشا، شکل غشا را تغییر میده و آن را به شکل فنجانی در میاره که یک حبابچه یا وزیکول را تشکیل میدهد، که برخی پروتئین ها را که خارج سلول بودند به دام می اندازد. حالا پروتئین هایی می آیند که این وزیکول را به طور کامل سوا کرده، از بقیه غشا جدا می کنند، و حالا کلاترین کار خود را به طور کامل انجام داده، و در نتیجه اکنون پروتئین هایی به داخل می آیند-- آنها را با رنگ زرد و نارنجی پوشانده ایم-- که مسئول جدا کردن اجزای این قفس کلاترین هستند.
و به این ترتیب همه این پروتئین ها به طور کامل قابل بازیافت و استفاده مجدد هستند. این فرآیندها بیش از آن کوچک هستند که با دید مستقیم، و حتی با بهترین میکروسکوپها مشاهده شوند، در نتیجه انیمیشن هایی مانند این، روش بسیار خوبی برای نشان دادن یک فرضیه هستند. این هم یک تصویر دیگر و در این شکل یک محقق میتونه تصور کنه ویروس اچ آی وی به داخل یا خارج سلولها میره. و دوباره، این شکل به شدت ساده شده و چیزهایی را که در واقع درباره این فرآیندها می دانیم از اول شروع نمی کنه. ممکنه تعجب کنید
که این شکلهای ساده تنها راهی هستند که بیشتر زیست شناس ها می تونن فرضیه های مولکولی خود را نشان دهند. چرا؟ چون خلق فیلم از فرآیندها آن طور که فکر می کنیم واقعاً اتفاق می افتند، خیلی سخته. چند ماه در هالیوود مشغول یادگیری نرم افزار پویانمایی (انیمیشن) سه بعدی بودم، و روی هر انیمیشن چند ماه کار کردم، و بیشتر محققین برای این طور کارها وقت ندارند. در حالی که حاصل این کار می تونه قابل توجه باشه. انیمیشن مولکولی از نظر توانایی نشان دادن حجم زیادی از اطلاعات با دقت بالا و برای طیف وسیعی از مخاطبین، بی نظیر است. و در حال حاضر روی پروژه جدیدی
به نام "دانش اچ آی وی" کار می کنم که کل چرخه زندگی اچ آی وی را با بیشترین دقت ممکن و با همه جزئیات مولکولی آن به شکل انیمیشن خواهم ساخت. این انیمیشن شامل داده های هزاران پژوهشگر است که طی دهه ها جمع آوری شده، داده هایی درباره شکل این ویروس، نحوه آلوده ساختن سلول های بدن ما، و نحوه اثر داروها در مقابل عفونت. طی سالها، دریافتم که انیمیشن تنها به درد تبادل اطلاعات نمی خورد، بلکه در واقع برای تحلیل یک فرضیه هم خوب است. زیست شناسان اکثرا برای تصور فرآیندهای مورد مطالعه
بیشتر از قلم و کاغذ استفاده می کنند، و در حال حاضر این روش پاسخگوی حجم بالای داده های ما نیست. فرآیند خلق یک انیمیشن می تونه مثل یک کاتالیزور عمل کنه که به محققین اجازه میده ایده های خود را شفاف و ملموس کنند. همکار پژوهشگر من که روی مکانیسمهای مولکولی بیماریهای تحلیل برنده اعصاب کار می کنه آزمایشهایی در ارتباط مستقیم با یک انیمیشن انجام می داد که با هم روی آن کار کرده بودیم، و به این ترتیب، انیمیشن می تونه به فرآیند تحقیق کمک کنه. من معتقدم انیمیشن می تونه زیست شناسی را متحول کنه. می تونه نحوه ارتباط ما با یکدیگر،
نحوه تحلیل داده ها و نحوه آموزش دانشجویان ما را تغییر بده. ولی برای چنین تغییری، لازم است محققین بیشتری انیمیشن بسازند، و من به این منظور، تیمی تشکیل دادم از چند زیست شناس، انیماتور و برنامه نویس تا یک نرم افزار متن باز (با کدهای قابل تغییر) جدید و رایگان درست کنیم-- نام آن فلیپ بوک مولکولی است-- که فقط برای زیست شناسان طراحی شده فقط برای خلق انیمیشن مولکولی. آزمایش ما نشان داده فقط 15 دقیقه زمان می برد تا یک زیست شناس که قبلاً به هیچ نرم افزار انیمیشنی دست نزده اولین انیمیشن مولکولی خود را
درباره فرضیه خود درست کند. ما همچنین در حال ایجاد پایگاه داده آنلاینی هستیم که هر کس می تونه انیمیشن ببینه، دانلود و یا آپلود کند. برای ما واقعاً هیجان انگیزه که اعلام کنیم نسخه بتای نرم افزار انیمیشن مولکولی امروز برای دانلود آماده می شه. مشاهده آنچه زیست شناسان با آن خلق می کنند و بینش تازه ای که دست آورد اون هست واقعاً هیجان انگیزه. از اینکه بالاخره قادر به ساختن انیمیشنی از شکل های شماتیک خود هستند. متشکرم. (
Take a look at this drawing. Can you tell what it is? I'm a molecular biologist by training, and I've seen a lot of these kinds of drawings. They're usually referred to as a model figure, a drawing that shows how we think a cellular or molecular process occurs. This particular drawing is of a process called clathrin-mediated endocytosis. It's a process by which a molecule can get from the outside of the cell to the inside by getting captured in a bubble or a vesicle that then gets internalized by the cell.
There's a problem with this drawing, though, and it's mainly in what it doesn't show. From lots of experiments, from lots of different scientists, we know a lot about what these molecules look like, how they move around in the cell, and that this is all taking place in an incredibly dynamic environment. So in collaboration with a clathrin expert Tomas Kirchhausen, we decided to create a new kind of model figure that showed all of that. So we start outside of the cell. Now we're looking inside.
Clathrin are these three-legged molecules that can self-assemble into soccer-ball-like shapes. Through connections with a membrane, clathrin is able to deform the membrane and form this sort of a cup that forms this sort of a bubble, or a vesicle, that's now capturing some of the proteins that were outside of the cell. Proteins are coming in now that basically pinch off this vesicle, making it separate from the rest of the membrane, and now clathrin is basically done with its job, and so proteins are coming in now — we've covered them yellow and orange —
that are responsible for taking apart this clathrin cage. And so all of these proteins can get basically recycled and used all over again. These processes are too small to be seen directly, even with the best microscopes, so animations like this provide a really powerful way of visualizing a hypothesis. Here's another illustration, and this is a drawing of how a researcher might think that the HIV virus gets into and out of cells. And again, this is a vast oversimplification and doesn't begin to show what we actually know about these processes.
You might be surprised to know that these simple drawings are the only way that most biologists visualize their molecular hypotheses. Why? Because creating movies of processes as we think they actually occur is really hard. I spent months in Hollywood learning 3D animation software, and I spend months on each animation, and that's just time that most researchers can't afford. The payoffs can be huge, though. Molecular animations are unparalleled in their ability to convey a great deal of information to broad audiences with extreme accuracy.
And I'm working on a new project now called "The Science of HIV" where I'll be animating the entire life cycle of the HIV virus as accurately as possible and all in molecular detail. The animation will feature data from thousands of researchers collected over decades, data on what this virus looks like, how it's able to infect cells in our body, and how therapeutics are helping to combat infection. Over the years, I found that animations aren't just useful for communicating an idea, but they're also really useful
for exploring a hypothesis. Biologists for the most part are still using a paper and pencil to visualize the processes they study, and with the data we have now, that's just not good enough anymore. The process of creating an animation can act as a catalyst that allows researchers to crystalize and refine their own ideas. One researcher I worked with who works on the molecular mechanisms of neurodegenerative diseases came up with experiments that were related directly to the animation that she and I worked on together, and in this way, animation can feed back into the research process.
I believe that animation can change biology. It can change the way that we communicate with one another, how we explore our data and how we teach our students. But for that change to happen, we need more researchers creating animations, and toward that end, I brought together a team of biologists, animators and programmers to create a new, free, open-source software — we call it Molecular Flipbook — that's created just for biologists just to create molecular animations. From our testing, we've found that it only takes 15 minutes
for a biologist who has never touched animation software before to create her first molecular animation of her own hypothesis. We're also building an online database where anyone can view, download and contribute their own animations. We're really excited to announce that the beta version of the molecular animation software toolkit will be available for download today. We are really excited to see what biologists will create with it and what new insights they're able to gain from finally being able to animate their own model figures.
Thank you. (Applause)