_ Modelarea procesului de hrănire a unui vierme mic face lumină asupra complexității organismelor biologice

Gâtul rotunzilor Caenorhabditis elegans ar putea părea ca un loc ciudat pentru explorarea complexității mecanismelor vieții, până când ne dăm seama cât de multe informații au fost colectate despre acești nematozi minusculi în ultimele câteva decenii.

Această bogăție de date a fost un motiv major pentru care a fost ales viermele. ca punct central al unui nou studiu al Institutului de Știință Weizmann, care arată puterea modelelor matematice și algoritmice în a permite înțelegerea cu granulație fină și de înaltă rezoluție a biologicului. sisteme.

În studiu, Dr. Dana Sherman și Prof. David Harel de la Departamentul de Informatică și Matematică Aplicată Weizmann au construit un model matematic al comportamentului organului de hrănire al nematodului, faringele, pentru a simula și analizează în detaliu exact modul în care sunt generate mișcările sale de înghițire.

Dincolo de a arunca o nouă lumină asupra dinamicii acestui proces, Studiul demonstrează cum simulările pe computer pot ajuta, în câteva minute, la efectuarea de experimente biologice care ar fi durat ani de zile în laborator, dacă ar fi fost chiar fezabile. Cercetarea este publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences.

Cu un corp transparent și aproximativ 1.000 de celule, C. elegans este un superstar științific care a facilitat descoperiri inovatoare în biologie, inclusiv câteva care au condus la Premiile Nobel. Genomul său a fost primul care a fost secvențiat complet printre organismele multicelulare, permițând studii genetice detaliate, iar corpul său este ideal pentru observarea în timp real a proceselor biologice.

Oamenii de știință au cartografiat, de asemenea, întreaga sa diagramă de conexiuni neuronale și celule. descendență. În plus, C. elegans împărtășește multe căi biologice cu oamenii, făcându-l un model excelent pentru înțelegerea proceselor fundamentale precum îmbătrânirea, neurobiologia și diferențierea celulară.

Faringele vierme, un organ muscular compus din câteva zeci de celule, trece prin mișcări de pompare care au ca rezultat aportul de particule alimentare din mediu. În noul studiu, Sherman și Harel au recurs la matematica clasică pentru a construi un model de pompare, folosind o abordare de jos în sus, adică pornind de la componentele de bază pentru a reconstrui un sistem mai mare.

Aceste componente. iar parametrii au inclus date despre, printre altele, diferite tipuri de celule musculare ale gâtului, neuroni care trimit semnale către mușchi, propagarea acestor semnale și concentrațiile diferiților ioni în celulele musculare. Modelul includea, de asemenea, o descriere a fluxului de fluide și particule de hrană prin gâtul viermelui.

Cineva s-ar putea întreba, totuși: de ce să construiți un model de ceva care a fost deja construit de natură?

„Dacă reușiți să construiți un model al cărui comportament se potrivește cu tot ceea ce se știe despre sistem, puteți rula acest model. în diferite condiții, observând potențial fenomene necunoscute. Acest lucru deschide calea pentru experimente de laborator, care pot apoi să coroboreze sau să respingă predicțiile modelului.”

Harel explică în continuare că atunci când un sistem biologic este modelat, manipulările simulate ale genelor sau celulelor sale trebuie să producă rezultate care se potrivesc. ce se știe deja despre acest sistem din viața reală Sau, după cum spune el, „Dacă încerci să modelezi dezvoltarea unui pancreas, nu ar trebui să ajungi cu ceva care arată ca un. degetul mic".

Rezultatul a șase ani de cercetare, noul model al Institutului Weizmann cuprinde o descriere cuprinzătoare a mecanismelor care generează mișcare în diferite zone ale faringelui vierme, făcând posibilă efectuarea de analize cantitative ale faringelui ca un întreg, precum și a diferitelor sale componente. Drept urmare, modelul oferă o explicație detaliată a modului în care funcționează faringele - ceva care nu a fost încercat în mod corespunzător înainte.

De exemplu, se știa că contracțiile și relaxările care compun mișcările de pompare ale faringelui nu sunt perfect sincronizate: contracțiile încep în momente diferite în timp în diferite părți ale gâtului, răspândindu-se prin aceste părți la viteze diferite.

Cu toate acestea, se știa și că semnalele neuronale care inițiază contracțiile faringiene se răspândesc. foarte rapid, aproape simultan în tot organul. Dacă contracțiile au urmat strâns acele semnale neuronale, ar fi trebuit să apară într-o manieră aproape sincronizată. Modelul a fost capabil să sugereze un mecanism pentru explicarea acelor dinamici aparent contradictorii.

Mai mult, modelul a oferit o evaluare cantitativă indisponibilă anterior a multor parametri și a explicat la o rezoluție fină interacțiunea dintre diferiții mușchi, atât în ​​cadrul fiecare zonă a gâtului și între zone diferite. Alte analize au sugerat că celulele situate pe marginile gâtului joacă un rol în funcția sa și nu numai în structura sa, așa cum se presupune în prezent.

În plus, modelul a prezis că în organisme mici precum C. elegans, generarea unui semnal electric de lungă durată, cum ar fi cel generat în mușchii faringieni, trebuie să implice alți ioni decât calciul.

În cele din urmă, oamenii de știință și-au folosit modelul pentru a efectua experimente prin intermediul simulărilor pe computer, denumită „in silico”, o aluzie la experimentele in vitro și in vivo comune în biologie. Cercetătorii au folosit astfel de simulări pentru a testa, de exemplu, modul în care modificările dimensiunii sau formei geometrice a gâtului ar afecta fluxul de particule în timpul înghițirii.

Pe lângă executarea lor aproape instantanee, astfel de experimente in silico demonstrează un alt avantaj al modelelor matematice: permit manipulări arbitrare, chiar și cele care nu sunt fezabile în laborator.

Predicțiile făcute de model ar putea indica direcții viitoare promițătoare pentru cercetarea în biologia C. elegans, dar micul vierme poate continua să lumineze funcționarea complicată a vieții într-un sens mai larg, ajutând la dezvăluirea modului în care organele întregi funcționează în alte organisme.

Așa cum scriu cercetătorii în raportul lor, ei speră că lor matematică abordarea va „permite nespecialiștilor să folosească acest tip de modelare pentru studierea altor sisteme biologice.”

(Fluierul)