Projekat Open Worm: kreiranje prve digitalne životne forme i test laserskog upravljanja nervima

Projekat "OpenWorm" je pokušaj da se razvije kompletna digitalna simulacija ćelijskog organizma ali ne samo da služi kao model, već sa ciljem da to jednoga dana bude kompletan veštački kreiran život. Biološki realna simulacija crva, od samih gena do ponašanja koje ti geni proizvode. Iza celog projekta stoji ideja da se jedino rekreiranjem kompletnog organizma isti može najbolje razumeti. Prema staroj Feynman-ovoj :

"If I can't build it, I don't understand it" ~ Richard Feynman

Zašto je odluka pala baš na crva Caenorhabditis elegans ?  Razlog je taj što je u pitanju pre svega veoma prost organizam i jedan od najbolje istraženih.  Od ukupno 959 ćelija koje poseduje, 302 od njih su neuroni a 95 mišićne ćelije. Uprkos jednostavnoj anatomiji, životinja prikazuje veliki repertoar ponašanja, uključujući i bežanje; potragu za hranom; hranjenje; defekaciju; polaganje jaja; senzorne odgovore na dodir, miris, ukus, kao i temperaturu, čak i neka složena ponašanja poput muškog parenja, socijalnog ponašanja, učenja i memorisanja (Rankin, 2002, de Bono, 2003).

Istraživanja molekularne i razvojne biologije na crvu  C. elegans su počela još daleke 1974. Pionir u ovom polju bio je Sidni Brener. Od tada do danas ovaj organizam je ekstenzivno korišćen kao model u biologiji.

Caenorhabditis elegans, valjkasti crv dužine oko 1 mm

Ovaj crv spada u transparentne nematode (valjkaste crve), dug je svega oko 1 mm i živi u zemljištu gde preživljava hraneći se mikrobima, pre svega bakterijama. Medju njegovim brojnim pogodnostima za istraživanje su njegov kratak životni ciklus, kompaktan genom, stereotipni razvoj, lakoća prostiranja i mala veličina.

C. elegans je podložan genetskom ukrštanju i proizvodi veliki broj potomaka po odrasloj jedinki. Reprodukuje se sa životnim ciklusom od oko 3 dana pod optimalnim uslovima. Lako može da se održi u laboratoriji gde se gaji sa kulturama bakterije E. coli koje mu služe kao izvor hrane.

C. elegans može imati dva pola: samo-oplodjujući hermafrodit (XX) i muškarac (XO). Muškarci se javljaju retko (0,1%). Najčeća je samooplodnja hermafrodita, i ona omogućava crvima da stvore genetski identično potomstvo, dok parenje sa muškarcem olakšava izolaciju mutacija unutar kolonije crva.

Do danas su mapirani apsolutno svi geni ovog crva, postoje detaljna online uputstva o svakoj pojedinačnoj mišićnoj ili nervnoj ćeliji. Kroz anatomiju crva možete se kretati pomoću ovog 3D browsera.

OpenWorm browser  zahteva jedino noviju verziju Firefoxa ili Google Chrome-a,
Internet Explorer neće raditi jer ne podržava WebGL tehnologiju.

Slično drugim nematodama, C. elegans ima telo cilindričnog oblika koje se sužava na krajevima.  Ćelije nervnog sistema organizovane su kao ganglije u glavi i repu. Većina C. elegans neurona se nalaze u glavi oko ždrela. Procesi iz većine neurona putuju duž ventralnog ili ledjnog nerva i projektuju se u nervni prsten (NR, neural ring) koji se nalazi u glavi i koji predstavlja neku vrstu centra nervnih aktivnosti. Mišići dobijaju input od motornih neurona koji su kontrolisani najčešće upravo iz tog nervnog prstena (NR). Manji mišići se takodje nalaze u ždrelu, crevima i rektumu.

Manipulacija nervima i uzrokovanje ciljanog ponašanja putem zraka lasera

Kao što je opisano u članku objavljenom 23. septembra 2012. godine od strane ScienceDaily, tim sastavljen od molekularnih biologa, fizičara i programera uspeo je da preuzme kontrolu nad "mozgom" transparentnog crva C. elegansa (to jest odrasle jednike gore opisanog hermafrodita).

Šta je zapravo uradjeno? Ekipa sa Harvarda je korišćenjem precizno ciljanog lasera, uspela da preuzme neurone mozga životinje i upute ga da se okrene u bilo kom pravcu koji su izabrali, pa čak da pošalju i lažne senzorne informacije, i time prevare životinju da krene u potragu za hranom misleći da je hrana u blizini.




Ramanathan, vodja tima, smatra da se preuzimanjem kontrole složenih ponašanja relativno jednostavne životinje - koja ima svega oko 302 neurona - može najbolje razumeti kako nervni sistem funkcioniše dok proizvodi ponašanje.

"Manipulisanjem nervnog sistema ove životinje, možemo da ga skrenemo levo, desno, možemo napraviti da ide u petlju, možemo ga učiniti da pomisli da postoji hrana u blizini. Ako jednog dana možemo da razumemo ovakav jednostavan nervni sistem do tačke gde ostvarujemo potpunu kontrollu nad njime, onda to to može biti bitan korak da jednog dana pokušamo dobiti sveobuhvatno razumevanje i složenijih sistema. To nam daje okvir za razmišljanje o nervnim kolima, kako njima upravljati i koje obrasce aktivnosti ta kola proizvode" 

Tehnički izazovi koje valja prebroditi

Tehnički izazovi koje tim mora da prebrodi su brojni i protežu se od oblasti genetike i neuronauke do hardverskog i softverskog dizajna. Kao prvi korak, korišćenjem genetičkih alata, istraživači su morali da dobiju jedinke crva čiji neuroni daju fluorescentno svetlo, takvi nervi bukvalno svetle omogućavajući da se prate putem instrumenata.

Dalje, dodatne promene u genima crva bile su potrebne da bi se omogućilo da crv ima neurone osetljive na svetlost, što znači da se mogu aktivirati preko impulsa laserske svetlosti. Najveći izazov, medjutim, bio je u razvoju hardvera neophodnog za praćenje crva i preciznog ciljanja odredjenog neurona u deliću sekunde.

"Ogroman poduhvat je da aktivirate samo jedan jedini neuron. Životinja se kreće, a neuroni se gusto pakuju u blizini njegove glave, tako da je izazov da dobijete proces koji slika životinju, identifikuje odredjeni neuron, prati dalje kretanje životinje, pozicionira svoj laser prema kretanju i ispaljuje zrak u taj neuron- i sve to u svega 20 milisekundi."

Istraživači su takodje koristili specijalno namenjen računar i softver koji je u stanju da obezbedi da sistem radi u deliću sekunde brzinama koje su im potrebne. Krajnji rezultat, kako oni kažu je sistem sposoban ne samo da kontroliše ponašanje crva, već i njigova čula, i to veoma dobro.

Idući napred, Ramanathan i njegov tim planiraju da istraže i ostala kontrolisana ponašanja C. elegans. Ostale aktivnosti uključuju dizajniranje novih kamera i računarski hardver sa ciljem ubrzavanja sistema od 20 milisekundi do jedne milisekunde. Povećana brzina je takodje preduslov i za testiranje sistema na složenijim životinjama.

Zašto je Open Source tehnologija korisna za ovakvu vrstu projekata ?

OpenWorm je startovao tek početkom 2011 i do sada već uključuje internacionalni tim naučnika i programera iz Amerike, Evrope i Rusije. Filozofija koja stoji iza Open Source-a omogućava razvoj platforme koja je potpuno nezavisna od toga koliko internacionalnih timova učestvuje, svaki tim ima pristup znanju do kojeg su ostali došli što otvara ogromne mogućnosti za uključenje novih stručnjaka i studenata u projekat.

Za one koji nisu upoznati, Open Source i jeste nastao prvo u softverskom svetu, počevši kao Free Software Movement još davne 1983 godine, do danas je izrodio brojne projekte. Recimo vaš Firefox koji koristite, Linux operativni sistem  ili Open Office aplikacija su takodje OSS. Učešće u svakom od OSS projekata je potpuno na dobrovojnoj osnovi i sa jednim jedinim zahtevom u licenci a to je da znanje u svakoj fazi razvoja ostane "otključano".




Kao i svaki drugi OSS projekat, i OpenWorm zahteva ažurnu dokumentaciju. Kompletna dokumentacija o istraživanjima i crvu C. Elegans je objavljena i održavana ovde. Na njoj pored početničkih uputstava možete naći apsolutno sve o ovom crvu, od liste svih gena koje ima i kako su kodirani do pojedinačnih mišićnih ćelija i detalja o anatomiji. Tu su i detaljna video uputstva kako koristiti browser. Najbitnija dogadjanja se takodju mogu pratiti na svima dostupnom blogu projekta.

Srce samog Open Worm projekta čini "Simulation Framework" koja je zapravo multi-algoritamska i multi-scale platforma projektovana specijalno za simulaciju kompleksnih bioloških sistema i njihovog okruženja. Trenutna platforma korištena za simulaciju C. Elegans se stalno unapredjuje. Istraživači se nadaju da će projekat opstati još dugo i proizvesti kompleksnije i složenije platforme koje bi bile razvijene za biološki kompleksnije organizme.

Reference



Oblasti: , , , , ,

0 komentara:

Post a Comment

Subscribe to: Post Comments (Atom)