TED日本語 - ジャネット・イワサ: アニメーションで科学者の仮説を試す方法


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TED日本語 - ジャネット・イワサ: アニメーションで科学者の仮説を試す方法

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How animations can help scientists test a hypothesis


Janet Iwasa






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.


この絵を見て下さい なんだか分かりますか 私は分子生物学者ですが このような 細胞・分子過程を表す モデル図を多数見てきました この絵が示すのは クラスリン媒介エンドサイトーシス と呼ばれるもので 細胞外の分子が 泡のような被覆小胞で 細胞内に取り込まれ 細胞の一部になる過程です しかし この絵には問題があり その殆どが これでは表現しきれていないということです 多くの実験や あらゆる科学者により これらの分子がどんなもので 細胞の中で どのように動き回るか そして それらが非常にダイナミックな環境で 起きている事などが分かっています

それで クラスリン専門家の トーマス・カークハゥゼンの協力を得て 全てが分かる新しいモデルを 作る事にしました それで細胞の外から始め 今 細胞内を見ています クラスリンは三脚巴構造で サッカーボールの様な形に 自己組織化します 細胞膜に接し 細胞膜を コップ型から 泡の様な小胞に変え 細胞の外にある タンパク質と 結合します 結合したタンパク質は その小胞を 細胞膜から切り離します クラスリンの役目は これで終わった様なものです その後タンパク質は細胞内へ これらを黄色とオレンジ色にしました クラスリン脱離の原因です これらのタンパク質は 殆どが再使用されます

これらの過程は極微で どんなに優れた顕微鏡でも 見えませんでした それで 仮説上の過程を可視化するには このようなアニメーションが 実に効果的です

これは別の図ですが 研究者の想像したものを描いたもので HIVウイルスが細胞を 出たり入ったりしている所です これはあまりに単純化されたもので これでは 今明らかになっている 細胞過程と呼ぶにはほど遠いものです

驚かれると思いますが これらの単純な図は 殆どの生物学者が 分子レベルの仮説を可視化できる 唯一の方法です どうしてでしょう? 予測される分子過程の 動画を作る事はとても難しいからです 何ヶ月もハリウッドで 3Dアニメーションソフトを学び 1つのアニメーションに何ヶ月も かけました 問題は研究者には そんな時間がない事です でも その甲斐は十分にあります アニメーションほど これほど詳細にしかも正確に分子過程の情報を 多くの人々に伝えられるものはありません 今 新しいプロジェクト 「HIVの科学」に携わっています HIVウイルスのライフサイクルの全てを 分子レベルで できる限り正確に アニメーション化する計画です アニメーションに織り込まれるのは 研究者が過去何十年も掛かり集めた 何千ものデータからの ウイルスの様子や ウイルスがヒト細胞を 感染させる様子や 治療で感染と闘う様子などです

過去何年間で 分かった事は アニメーションはアイデアを 伝えるのに有用なだけでなく 仮説を探るのに とても役に立ちます 生物学者は殆ど 未だに紙と鉛筆を使って 研究過程を可視化していますが 今のデータを表すには もうそれでは十分ではないのです アニメーションを作ることで 研究者は自分たちのアイデアを 精密に具体化できるのです 過去に関わった 神経変性疾患の分子構造の 研究をしている ある研究者は 私と共に作製した アニメーションに 直接関連した実験を 考え出しました このようにアニメーションは研究者に インスピレーションを与えてくれます

アニメーションで生物学が 変わると信じています アニメーションを通して 私たち研究者の関わり方 データの探索の仕方 クラスでの教え方を 変えることができます しかしそうなるには もっと多くの研究者が アニメーションを作る必要があります それを目指して 生物学者、 アニメーション作成者 プログラマーと共に 新しい 自由なオープンソースのソフト 「分子パラパラ本」と名付た 生物学者だけのための 分子アニメーション制作ソフトを作りました テストしてこんなことが分かりました アニメーションソフトを 使った事のない研究者でも 自分達の研究における仮説を 初めて分子アニメーションにするのに 15分しか掛かりませんでした また誰でも見れ ダウンロードでき 自分のアニメーションを投稿できる オンライン・データベースも 私たちは作っています ダウンドロード可能な 分子アニメーションの ソフトツールキットが 今日 ベータ版で公開される事を お知らせできて とても嬉しいです ついに自分たちのモデルを アニメーション化できる事で 生物学者の皆さんが何を作れるか 又どんな洞察が得られるかと とても心がときめいています



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