Los biólogos de la Universidad de Tufts han desarrollado un modelo computacional de regeneración planaria gusano plano que explica cómo los fragmentos de planaria determinan qué extremo debe formar una cola y cuál debe formar una cabeza. El desarrollo comienza a responder una pregunta importante en la investigación de regeneración:¿Cuáles son las señales que determinan la reconstrucción de estructuras anatómicas específicas? Combinando modelado y experimento, los investigadores determinaron que la dirección de las fibras nerviosas establece la redistribución de las señales químicas que establecen la dirección del eje de la cabeza a la cola. El modelo también fue capazpara predecir los resultados de numerosas manipulaciones genéticas, farmacológicas y quirúrgicas, como gusanos con dos cabezas o dos colas.
Los resultados publicados en la revista PLOS Biología Computacional vaya más allá de la planaria, mostrando cómo el modelado computacional de señales fisiológicas y genéticas puede ayudar a comprender y controlar la regeneración. El descubrimiento de que la direccionalidad neural ayuda a guiar la estructura a nivel de los órganos podría tener muchas aplicaciones en contextos biomédicos, como la regeneración en mamíferos, defectos de nacimiento, etc.bioingeniería de organoides y cáncer.
El modelo computacional, que usa una nueva plataforma de simulación de código abierto llamada Interfaz Planariana para la Organización del Cuerpo de Modelado PLIMBO, incorpora muchos mecanismos biológicos que impulsan la regeneración, algunos publicados anteriormente y otros descubiertos en el estudio actual. Este entorno computacional creaUna simulación cuantitativa realista de los eventos que tienen lugar a nivel molecular, celular, tisular y de organismos completos.El modelo ayudó a identificar el papel importante que juegan las neuronas en la regeneración al proporcionar un transporte activo de morfógenos, las moléculas que ayudan a guiar el crecimiento y la organización decélulas en diferentes tejidos y estructuras anatómicas. Los investigadores descubrieron que las neuronas desempeñaban un papel fundamental en la reconstrucción de la polaridad del plan corporal de la cabeza a la cola, así como en garantizar que los morfógenos pudieran distribuirse rápidamente para permitir que el proceso de regeneración funcione de manera efectiva endiferentes escalas, desde pequeños fragmentos hasta cuerpos completos.
El modelo es básicamente un mapa bidimensional de un cuerpo planario, en el que moléculas de señalización importantes como Hh, NRF, ERK, Wnt, cAMP, beta-Cat, Ptc y APC, cada una sigue sus propias reglas de producción, distribucióny el transporte a lo largo de las rutas celulares, e interactúan entre sí. Para comprender mejor el proceso de regeneración, los autores examinaron los resultados calculados de cortar partes del mapa, inhibir el transporte de los morfógenos virtuales y / o perturbar la producción de morfógenos específicos.Los resultados de estas intervenciones se examinaron experimentalmente mediante escisión física en el gusano y exposición a ARNi o tratamientos farmacológicos, que pueden disminuir o aumentar la producción biológica de morfógenos específicos.
Si bien se sabe desde hace décadas que las neuronas son de alguna manera importantes para la capacidad regenerativa, este es el primer estudio que revela que es la direccionalidad neural la que instruye específicamente la redistribución posterior de productos bioquímicos que determinan la polaridad anatómica de un eje principal del cuerpo.Esto muestra cómo el patrón ordenado surge en la escala de células individuales y se propaga a los tejidos y órganos.
"El modelo hizo notablemente bien en la predicción de los resultados biológicos reales en el gusano", dijo Michael Levin, Ph.D., Profesor de Biología Vannevar Bush en la Escuela de Artes y Ciencias y director del Centro Allen Discovery en Tufts."Nos permitió visualizar cómo la información de patrones puede filtrarse desde el nivel de la célula al nivel del organismo, y cómo la direccionalidad de las células específicas como las neuronas impulsa los gradientes bioquímicos aguas abajo y la determinación de los órganos. El modelo nos permitió hacer predicciones precisas denuevos experimentos que nunca antes se habían hecho, revelando que la direccionalidad neural triunfa y restablece los gradientes bioquímicos preexistentes ".
La dirección neuronal guía la polaridad en la regeneración al servir como un conducto rápido para ciertos morfógenos. Las neuronas contienen dentro de ellas un sistema de "pistas" llamadas microtúbulos y "motores" moleculares que transportan moléculas a lo largo de esas pistas. Los motores incluyen dineína y kinesina,e inhibir cualquiera de esas moléculas puede conducir a anomalías de regeneración predichas por el modelo. Nuevos experimentos mostraron, según lo predicho por el modelo, que los gradientes preexistentes de químicos en fragmentos no establecieron la dirección del eje de la cabeza y la cola, sino que fueronreescrito por la direccionalidad de las fibras neuronales.
"PLIMBO nos permite examinar la regeneración de una manera cuantitativamente rigurosa", dijo el autor principal Alexis Pietak, el biofísico que ideó el modelo y miembro del Allen Discovery Center. "Podemos llenar los vacíos en el conocimiento simulando el papel de las neuronas".y morfógenos novedosos y ver si mejoran la capacidad de predecir resultados experimentales. Esto puede proporcionarnos no solo una mejor comprensión del proceso de regeneración, formación de tejidos y órganos, sino también una visión de cómo los patrones corporales podrían verse afectados en otros animales durante la gestación, lo que lleva a defectos de nacimiento. "
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Materiales proporcionados por Universidad de Tufts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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