塔夫斯大學(xué)的生物學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了一種計算機(jī)(扁蟲)再生的計算模型，該計算模型解釋了平面的碎片如何確定哪一端應(yīng)形成尾部以及哪一端應(yīng)形成頭部。開發(fā)開始回答再生研究中的一個重要問題 - 決定重建特定解剖結(jié)構(gòu)的信號是什么?結(jié)合建模和實驗，研究人員確定神經(jīng)纖維的方向設(shè)定化學(xué)信號的重新分布，確定頭到尾軸的方向。該模型還能夠預(yù)測許多遺傳，藥理和手術(shù)操作的結(jié)果，例如具有兩個頭或兩個尾巴的蠕蟲。

發(fā)表在PLOS Computational Biology期刊上的結(jié)果超越了planaria，展示了生理和遺傳信號的計算建模如何幫助理解和控制再生。神經(jīng)方向性有助于指導(dǎo)器官水平結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)可以在生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中具有許多應(yīng)用，例如哺乳動物的再生，先天缺陷，類器官的生物工程和癌癥。

計算模型使用一種名為Planarian Interface for Modeling Body Organization(PLIMBO)的新型開源仿真平臺，結(jié)合了許多推動再生的生物機(jī)制 - 一些先前發(fā)表的，以及其他在當(dāng)前研究中發(fā)現(xiàn)的。該計算環(huán)境創(chuàng)建了在分子，細(xì)胞，組織和整個生物體水平發(fā)生的事件的真實定量模擬。該模型通過提供形態(tài)發(fā)生素的主動轉(zhuǎn)運幫助確定神經(jīng)元在再生中發(fā)揮的重要作用 - 這些分子有助于指導(dǎo)細(xì)胞生長和組織進(jìn)入不同的組織和解剖結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元在重建身體計劃的極性(頭到尾)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，

該模型基本上是一個渦蟲體的二維圖，其中重要的信號分子如Hh，NRF，ERK，Wnt，cAMP，beta-Cat，Ptc和APC各自遵循它們自己的生產(chǎn)，分配和運輸規(guī)則。沿細(xì)胞路徑，并相互作用。為了更好地理解再生過程，作者檢查了切割圖譜部分的計算結(jié)果，抑制了虛擬形態(tài)發(fā)生素的轉(zhuǎn)運，和/或擾亂了特定形態(tài)發(fā)生素的產(chǎn)生。然后通過蠕蟲中的物理切除實驗檢查這些干預(yù)的結(jié)果，并暴露于RNAi或藥理學(xué)處理，這可以減少或增加特定形態(tài)發(fā)生素的生物學(xué)產(chǎn)生。

“該模型在預(yù)測蠕蟲的實際生物學(xué)結(jié)果方面表現(xiàn)非常出色，”藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的Vannevar Bush生物學(xué)教授，塔夫茨艾倫探索中心主任Michael Levin博士說。“它使我們能夠看到圖案信息如何從細(xì)胞層滲透到生物體層面，以及特定細(xì)胞(如神經(jīng)元)的方向性如何驅(qū)動下游生化梯度和器官測定。該模型使我們能夠準(zhǔn)確預(yù)測以前從未做過的新實驗，揭示了神經(jīng)方向性勝過(并重新設(shè)定)已有的生化梯度。“雖然幾十年前已知神經(jīng)元在某種程度上對再生能力很重要，但這是第一項研究，它揭示了神經(jīng)方向性，特別指示隨后重新分布決定主要身體軸的解剖極性的生物化學(xué)物質(zhì)。這顯示了有序模式如何在單細(xì)胞規(guī)模上出現(xiàn)并傳播到組織和器官。

神經(jīng)方向通過作為某些形態(tài)發(fā)生素的快速導(dǎo)管來指導(dǎo)再生中的極性。神經(jīng)元在其中包含稱為微管的“軌道”系統(tǒng)，以及沿著這些軌道傳輸分子的分子“引擎”。發(fā)動機(jī)包括動力蛋白和驅(qū)動蛋白，并且抑制這些分子中的任何一個都可以導(dǎo)致由模型預(yù)測的再生異常。正如模型所預(yù)測的那樣，新的實驗表明，碎片中預(yù)先存在的化學(xué)物質(zhì)梯度并未設(shè)定頭部和尾部軸的方向，而是由神經(jīng)元纖維的方向性重寫。

“PLIMBO允許我們以定量嚴(yán)格的方式檢查再生，”主要作者Alexis Pietak說，他是設(shè)計該模型的生物物理學(xué)家，也是艾倫探索中心的成員。“我們可以通過模擬神經(jīng)元和新型形態(tài)發(fā)生素的作用填補(bǔ)知識空白，看看它們是否能提高預(yù)測實驗結(jié)果的能力。這不僅可以讓我們更好地了解再生，組織和器官形成的過程，還可以了解在妊娠期間其他動物如何破壞身體模式，導(dǎo)致出生缺陷。“