Modelarea multiscalară a dezvoltării organismelor

Organismele multicelulare sunt compuse din diferite tipuri de celule, organizate în țesuturi, care îndeplinesc o funcție fiziologică specifică. [1] [2] Aceste celule specializate sunt foste celule stem, care, trecând prin procesul de diferențiere celulară – schimbându-și forma, mărimea, potențialul de membrană, activitatea metabolică și receptivitatea la semnale – ajung să îndeplinească un rol specific în organism. [3]

Diferențierea celulelor stem în diferite tipuri de țesuturi [3]

Datorită multitudinii de factori care pot influența ciclul de viață al celulelor și, astfel, dezvoltarea organismelor, modelarea multiscalară joacă un rol important în înțelegerea modului de dezvoltare al organismelor. Modelele multiscalare pot simula sisteme biologice complexe - integrând domeniul temporal, spațial și funcțional – și oferă acces la comportamente ale sistemului care nu sunt accesibile folosind tehnici la o singură scară. Iar, pentru captarea eficientă a informațiilor la scară biologică este optim să se utilizeze o combinație de tehnici computaționale. Aceste modele permit generarea și testarea ipotezelor, cuantificarea valorilor care nu pot fi măsurate și transpunerea în sisteme in vivo. Totuși, deoarece multe dintre valorile parametrilor necesare pentru dezvoltarea modelelor multiscalare sunt dificil sau imposibil de măsurat, selectarea adecvată a acestora ramane o preocupare în comunitatea de modelare computațională. Așadar, exploatarea tehnicilor de estimare a parametrilor poate fi necesară pentru o parametrizare mai bună a modelelor multiscalare . [4]

Unul dintre modurile în care poate fi observat modul dezvoltării unui organism, folosind modelarea multiscalară , este folosind Morpheus. Acesta este un environment user-friendly care se poate utiliza pentru modelarea, simularea și integrarea modelelor bazate pe celule, a sistemelor de reacție-difuzie și a ecuațiilor diferențiale ordinare și suportă construcția de modele multiscalare folosind terminologia biologică și construcții matematice.[5] Punctul forte al acestui environment este ca permite crearea de modele multiscalare în mod concis și simularea acestora într-un mod eficient. De asemenea, permite modelarea separată a acestor sisteme, ca modele la o singura scară și combinarea acestora ulterior, în mod flexibil, la mai multe scări, acest fapt permițând începerea de la un anumit nivel de abstractizare și deplasarea în sus și în jos prin includerea unor procese cruciale la diferite scări. [6]

 

Model multiscalar complet. Sistemul intracelular reprezentat prin ecuații diferențiale ordinare reglează diviziunea celulară. Concentrația locală a citokinei difuzive produse de celule modulează ciclul celular intracelular. [6]

Referințe

[1] „Cell differentiation,” Available: https://www.britannica.com/science/cell-biology/Cell-differentiation.

[2] Nature, „Cell Differentiation and Tissue,” Available: https://www.nature.com/scitable/topicpage/cell-differentiation-and-tissue-14046412/.

[3] „Cellular differentiation,” Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_differentiation.

[4] P. J. P. S. Walpole J, „Multiscale computational models of complex biological system,” Annu Rev Biomed Eng, 2013.

[5] W. d. B. L. B. a. A. D. J. Starruß, „Morpheus: a user-friendly modeling environment for multiscale and multicellular systems biology,” Bioinformatics, vol. 30, pp. 1331-1332, 2014.

[6] „Morpheus,” Available: https://morpheus.gitlab.io/courses/multiscale-models/example/.