Молекулярная биология и Houdini летом двадцатого
Вот что получилось. А ниже история движения из точки А в точку B.
→ Ссылка на проект
1.
Я учился в школе. И учебники по биологии, физике, химии отличались вялостью картинок. Если фотка, то чёрно-белая, обилие схем и текста. Сочного, красивого текста, рассказывающего, как выглядит вирус или ДНК.
Ну, это, приблизительно, как выбирать обувь, мороженое или автомобиль артикуляцией и обилием слов.
Но ведь так не происходит. Захотел боты — загуглил. Увидел миллиард картинок, ролики посмотрел, рекламу. И они все бодрые, сочные. Никаких схем. Зарядился энергией и купил кросы, греющие эстетику души и ножки.
— Мампап, а чего у вас в учебнике нет красивых фоток? Зачем эта бледность и уныние? Вы не можете увидеть красоту и не хотите, чтобы я её увидел? Ну ладно, я тогда пойду продавать машины или в архитекторы, они классные. Не буду учёным. Это скучно.
— Мы считаем, что тебе достаточно текста и схем. И вот тебе ещё более точный текст и очень красивая схема.
— Мампап, у вас немножко мир поменялся. Он теперь тоже весь в тексте и схемах.
— Немедленно верни обратно! Немедленно!
— Ладно. Схемы, тексты, а как это всё выглядит? Где фотки? Видосики?
— Видишь ли, все эти атомы, вирусы, они настолько маленькие, что мы не можем их увидеть. Поэтому вот тебе схемы и текст.
— Мампап, но ведь в кино все эти взрывы, бабахи и разбитые машины — тоже нарисовано. Они же выглядят очень.
— Да. Видишь ли, на это у нас есть бюджет.
— А на меня?
— Мороженое будешь?
— Буду.
Грустная история. Правда? Мне грустно. Я считаю, что красивым, завораживающим можно сделать что угодно. А что это там такое красивое/загадочное/героичное/стильное/трогательное? Хочу подойти поближе и заниматься этим на всю жизнь.
Мы поднаторели в придании войне эстетики, в придании аппетитности бургерам, в умении рассказывать трогательные истории про обувь. Можно ли что-то сочное/яркое/завораживающее/настоящее показать про науку?
Мой ответ — да.
2.
И на этой волне летом 2020 года я в задумчивости рассматривал в своём любимом Houdini, как выглядят разные белки/протеины. Их я загрузил с сайта www.rcsb.org — формат pdb, к моей радости, является нативным для Houdini.
Меня завораживает их крохотность/эволюционная сложность и одновременно простота. Вот смотрите. Это ДНК, шаперон и иммуноглобулин.
1. Модели: ДНК, шаперон и иммуноглобулин
И мне захотелось рассказать о них. Я не знал о них ничего. Никакого сценария у меня тоже не было.
В качестве инструмента я взял Houdini, который изучаю, а в качестве темы — иммуноглобулин. И я захотел сделать ролик, в котором сочетались бы научная достоверность и красота.
А что рассказать, Алёха, ты же не молекулярный биолог? Да, я не молекулярный биолог. И я понял, что не хочу идти путём популяризатора науки, который своими словами рассказывает о чём-то, не имея образования в данной области. Я хочу быть научно достоверным. Точным. Что же делать?
Нужно найти консультанта по молекулярной биологии!
И вскоре такой человек нашёлся — Валерия Архипова — молекулярный биолог. Мы живём в разных часовых поясах. В нашем случае разница в четыре часа. В целом это нам не мешало.
И в дальнейшем все свои вопросы по научной части я адресовал Валерии.
Вообще антитела различаются (это я сейчас такой умный, да). Выглядят они по-разному, в разных ситуациях вырабатываются и отличаются у разных животных. Мы выбрали тот, что на картинке. И очень быстро информация про наш иммуноглобулин, живущий в сферическом вакууме, у нас закончилась. Мы сделали ролик, в котором покрутили наш экземпляр IgG и показали, где какой у него атом, тяжёлые и лёгкие цепи, аминокислоты, температуру атомов и т. д. Всё это заняло 17 секунд эфира. Мало? Очень…
2. Второй релиз ролика. Три склеенных скриншота. Длительность аж целых 17 секунд…
И тут пришло понимание. Мы можем больше!
Антитело — не само по себе существует. Это ответ иммунной системы на что-то. На что? Вирус! Иммуноглобулин же прикрепляется к вирусу! И тем самым мешает вирусу заразить клетку.
Мы решили добавить вирус. И показать, его в окружении иммуноглобулина. Вирус был подобран из базы протеинов и белков, о которой я писал в начале. И важно, что иммуноглобулин реагирует именно на этот тип вируса. Вот как это выглядит к 4 релизу ролика.
3. 4 релиз нашего ролика. ротавирус в окружении антител.
Вирус настоящий. Всамделишный. Называется ротавирус. Ротавирус, например, является частой Причиной диареи у детей. Вот, как он выглядит в базе. В его внешней оболочке порядка 6 000 000 атомов. И тут меня ждал неприятный сюрприз. Дело в том, что большие структуры хранятся в базе протеинов в другом формате — не pdb. Они хранятся в формате cif. Houdini не понимает этот формат. К счастью, он текстовый. Разобравшись в его логике я написал небольшой парсер, который вытаскивает из файла нужные мне данные. Размер файла модели ротавируса занимает порядка 600 мб. Время на его сборку и отображение во вьпорте Houdini занимает две минуты.
Пока мы работали над роликом, вокруг меня начинали вырастать новые слова и смыслы. Я не знал о существовании иммуноглобулина. Серьёзно. И ещё большей проблемой было задать вопрос. Потому что я не знал слов, кроме универсального слова — штуковина. И я был похож на пускателя пузырей ртом.
Но теперь, если я захочу продолжить, то хотя бы буду знать, что искать. Только не спрашивайте меня про значение. Я точно так же буду гуглить или спрашивать у Валерии.
Далее мы поняли, что нам нужно показать, как работает иммуноглобулин. Он буквально прицепляется к торчащим во все стороны эээ… шипам наподобие ключ/замок. И тогда вирус не может прицепиться к клетке и заразить её. И процесс этот абсолютно хаотичный. Иммуноглобулин может не столкнуться с вирусом и пролететь мимо.
4. 6 релиз нашего ролика. Зарождение эстетики.
Я раскрасил прилепившиеся антитела. И тут я увидел, что начинает появляться какая-то эстетика/стиль. Что микромир нужно рисовать красиво/вкусно, а не только научно достоверно. И что именно в этом месте возникает любопытство и желание изучать и заниматься молекулярной биологией. Из красивых схем и точных слов это желание не возникает. Особенно оно не возникает у школьника. Нужны именно красивые картинки. Плюс мы показываем вещи, как они выглядят. Такая возможность появилась очень недавно. И я говорю не о микроскопии, а о трёхмерном моделировании. Когда можно показать сам объект, но, что я считаю важнейшим — взаимодействия объектов и показать событие из абсолютно любой точки для наблюдателя, хоть изнутри вируса, хоть из Солнца.
Думаю, что между точно и красиво нужны компромиссы. И двигаться можно, как в одну, так и в другую сторону.
И, если модели объектов у нас выполнены в достаточной для нашей задачи точности, то что можно сказать про эстетическое наполнение? Какие у меня есть для этого ресурсы/возможности?
Можно сделать разные диаметры у атомов, Основные элементы, из которых собран наш иммуноглобулин — углерод, сера, водород, кислород и азот. Диаметры элементов различаются приблизительно в 4 раза. Это можно показать в одном месте, как факт, что атомы различаются. И мы это сделали в части ролика, где показывали иммуноглобулин без вируса. Но это же можно сделать и для всего ролика. Это будет честно. Но нужно ли? Или можно упростить?
Еще можно добавить цвета.Блики. Размытое отражение. Прозрачность. HDRI. Подповерхностное рассеивание света. Прямой свет. Тени. Затенение. Фактуру на сами атомы, типа царапин или сколов краски. Глубину резкости и моушн блюр. Вот так, пожалуй, выглядит список всех возможностей.
Я оставил цвет. Которого нет на самом деле, потому что объекты очень маленькие для световых волн. Поэтому объекты такого размера чёрно-белые. Цвет позволяет делать акценты, создавать настроение, цветом можно показывать агрессию и беззащитность, радость. Поэтому я его оставил.
Оставил затенение. Это мягкий рассеянный свет. Как в пасмурную погоду. Он есть и на фотографиях клеток.
Оставил моушн блюр с глубиной резкости. Эти два эффекта есть и в микромире и они очень и очень добавляют подлинности картинке. Я могу сделать маленькую глубину резкости и тогда появится приятное глазу размытие.
Оставил подповерхностное рассеивание. Этот эффект хорошо виден, если посмотреть на Солнце через кожу пальцев или уха. Я старался приблизиться к эффекту, видимому на фотографиях клеток и бактерий.
А вот от всего остального отказался. В силу своей малости атомы не могут быть в царапках или потёртостях. HDRI мы не увидим т. к. объекты чёрно-белые. Разные размеры атомов мы показали, на примере иммуноглобулина в начале ролика. После этого все «шарики» имели более-менее один диаметр. Прямой свет и тень возможен только на крупных структурах. Колониях бактерий, клетках. В случае с антителами и вирусами — нет. Кстати, сама модель атома — шарик — тоже гм… не совсем честна. Ведь, по сути, элемент — ядро с облаком электронов на орбиталях. И на сферу это совсем непохоже.
Теперь, когда стало понятно, какие средства я могу использовать в работе, а от каких пришлось отказаться, я поработал ещё с материалами вируса и остановился вот на таком решении.
5. 10 релиз нашего ролика. Красные — прикрепившиеся антитела. Голубые — нет.
И, что мне лично очень нравится, вот, как выглядит фактура вблизи. Виден каждый атом. В ролике они все ещё и шевелятся…
6. Ротавирус близко-близко. Видны атомы.
Помните, в начале ролика мы вращали иммуноглобулин и показывали, из каких элементов он состоит, аминокислоты и прочее? Теперь я видел в таком подходе недостаточную лёгкость и медлительность. Но решения, что можно придумать, пока не было.
Я нахожу структуры белков/протеинов/вирусов/клеток очень красивыми вблизи. Когда они огромные, тогда их вещественность становится ощутимой. А что, если подойти поближе, а не пытаться увидеть всю структуру/иммуноглобулин целиком?
7. Фрагмент тяжёлых и лёгких цепей иммуноглобулина.
Мне нравится!
А теперь совместим ближний и дальний план с помощью полиэкрана. И оп!
8. Иммуноглобулин. Аминокислоты. Цвета рандомные.
Да! Теперь есть мелкие структуры, на которые мы можем полюбоваться вблизи и, одновременно, виден весь иммуноглобулин целиком. Такое решение я и оставил в ролике.
Пора было высаживать наш вирус на клетку. Но какую? Нам нужна была клетка, которую заражает именно наш вирус. И это клетка эпителия. На картинке серое море внизу — поверхность клетки — мембрана. Все модели в сцене в масштабе. Вирус приблизительно в 100–1000 раз меньше клетки.
И в последнем шоте мы показали клетку эпителия, заражённую вирусом, а рядом вирус, которому налипшие антитела мешают эту же клетку заразить.
9. Два вируса. Один прилепился к клетке эпителия. Второй, облепленный антителами, менее удачен.
Размытые голубые пятна — антитела. Я добавил на рендере моушн блюр и глубину резкости. Рендер сделан в Mantra. Её неспешность мне хоть как-то позволили нивелировать 16 ядер от AMD.
И, когда осталось посчитать весь ролик, я очень сильно сомневался, что смогу за приемлемое время отрендерить 1920×1080. Поэтому я склонялся в пользу формата 1280×720. Но нет, тесты показали, что можно посчитать и 2к. В итоге время рендера кадра 2–20 минут. С честной глубиной резкости и моушн блюром. Отсчитать 1200 кадров заняло неделю.
Финальное сведение всех секвенций, цветокоррекция, титры и монтаж сделаны в Blender. В последующих проектах я от него откажусь в пользу AE, в котором на данный момент не работаю. Ну, вот наверное и всё. В Houdini, в котором я любитель, можно делать гораздо более сложные штуки. Реалистичные спецэффекты в кино, вода, огонь, взрывы, разрушения. Вот это вот всё. И наши задачи — самый несложный уровень, доступный в этом софте.
А сейчас я перечислю слова, которым не нашлось места в нашем ролике, но которые тоже про иммунную систему, частью которой является и иммуноглобулин.
IgA. IgD. IgE. IgM. Фагоциты. Агглютинация. Комплемент. Преципитация. Лизис. Аллергия. Апоптоз. Натуральные киллеры. Вакцина. В-лимфоциты. Аутоиммунное заболевание. Т-хелперы. Т-лимфоциты. Лимфоцит. Инфицированные клетки. Макрофаг. Т-клетки памяти. B-клетки памяти. Перфорация клеточной мембраны. Гуморальный иммунитет. Клеточный иммунитет. Нейтрофилы. Клетка. Эозинофилы. Базофилы. РНК. ДНК. Иммунные привилегии. Электронные орбитали. Фолдинг. Цитопатическое действие.
Уфф. И думаю, что если начать делать ролик про любое слово из тех, что выше, то возникнет ощущение фрактала. Вокруг этого слова будут ютиться новые слова. А вокруг них ещё и ещё. И понадобится всё больше узких-узких специалистов своего дела. Что повышает точность и усложняет сложную сложность.
И самое главное. У нас нет звука. Да. Мы настолько сосредоточились на визуальном и на самой возможности сделать всё самим, что мысль о звуке нас даже не посещала. Уже сильно позже мы поняли, что звук, а, точнее, голос за кадром, очень и очень важен для понимания/упрощения, происходящего на экране.
→ Ссылка на проект
P.S.
Я отправил ролик двум разным учёным, мнение которых очень важно для меня. И в ответах каждого я увидел слово красота.
3.
Что дальше?
Нам нравится, что у нас получилось. Удалённая работа показала свою состоятельность при увлечённости и мотивации. И то, что мы с Валерией не знакомы очно, никогда друг-друга не видели, общались только в чате watsapp и живём в разных часовых поясах — не мешало нам работать. Наверное, очень большим причиной нашей радости и удовольствия от проекта было отсутствие ожиданий. У нас не было дедлайна, заказчика (им был я), сложных шотов. Рисовали мы ролик один месяц и к началу августа завершили. И я очень признателен Валерии Архиповой и тем людям, которые помогали с работой, консультировали меня по Houdini, высказывали своё мнение: Лёха Бумбурум, Дима Новосельцев, Игорь Харитонов, Саша Соколов, Дима Староверов, Стас Рыхликов, Константин Северинов, Йоха Колудар.
Я увидел, что мы можем делать достойнейшие ролики обладающие эстетической ценностью и научной достоверностью. И сейчас мы работаем над версией ролика со звуком. Я никогда раньше этого не делал.
И ещё мы делаем ролик по CRISPR-Cas9. В этом году за разработку метода редактирования генома Нобелевскую премию по Химии присуждена Дненифер Даудна и Эмманюэль Шарпантье. А это и есть CRISPR-Cas9. И вот вам скриншот из аниматика, над которым мы работаем.
10. Скриншот из аниматика по CRISPR-Cas9. Бактериофаг.
