Российские ученые создают искусственное животное
Из всех червей для нас важнейшим является Caenorhabditis elegans – эта крошечная круглая нематода считается одним из самых популярных модельных организмов для биологических исследований.
C. elegans изучен вдоль и поперёк своего миллиметрового тела, так, как не изучен, пожалуй, ни один многоклеточный организм на Земле. Полностью установлена последовательность его ДНК, включающая около 20 тысяч генов. Прослежена судьба каждой из чуть менее тысячи клеток, составляющих его организм. Выяснены основные взаимосвязи между всеми 302 его нейронами – примерно 7000 соединений.
Как ни удивительно, но эта нехитрая на первый взгляд живая система, которую удалось разложить буквально по полочкам, является совершенно самостоятельным, свободноживущим существом, которое активно реагирует на происходящее вокруг. Нервная система C. elegans способна даже к обучению и формированию условных рефлексов! Несмотря на свою ограниченность, она прекрасно действует, обеспечивая извлечение и запоминание опыта, который поставляют механические, химические и температурные рецепторы тела.
Возможно, именно в этом таится особая притягательность C. elegans: кажется, что именно этот мелкий червячок – стоит только внимательно всмотреться – раскроет главную тайну существования всей жизни на Земле. Недаром один из крупнейших исследователей нематоды, нобелевский лауреат 2002 года Джон Салтсон (John Sultson) заметил: «Когда мы поймем червя, мы поймем жизнь».
Но «понимать червя» можно по-разному. Вы можете пытаться разобрать его на всё более мелкие детали, стремясь понять, как они работают. А можете, наоборот, попытаться самостоятельно собрать из известных элементов целый организм, и в процессе лучше понять, как они работают вместе и как рождают всю сложность живого существа.
Общий вид. Червь на гладкой поверхности
Удобнее всего сделать это виртуально, создав компьютерные модели каждого нейрона и каждого синапса нервной системы C. elegans. А затем проследить, как они будут взаимодействовать друг с другом и управлять деятельностью таких же модельных клеток остальных систем организма, координируя все его функции, от пищеварения до поведения.
Над исследованием и моделированием различных систем C. elegans работают многие учёные по всему миру. И одним из самых успешных в этой области стал проект OpenWorm, ключевую роль в котором играют российские учёные. О работе над созданием «виртуальной нематоды» STRF.ru рассказал один из авторов OpenWorm, кандидат физико-математических наук, учёный секретарь Института систем информатики имени А. П. Ершова СО РАН (Новосибирск) Андрей Юрьевич Пальянов:
– Многие научные коллективы работали и работают над этой задачей, однако до её решения остается ещё далеко. Их главная проблема состоит в том, что обычно задачей занимаются небольшие команды с той или иной специализацией. А в данном случае явно требуется объединение усилий экспериментаторов и теоретиков, специалистов в области нейробиологии, биофизики, кибернетики, компьютерного моделирования, программирования, высокопроизводительных вычислений. Мы понимали это и с самого начала старались идти на контакт с коллегами по задаче, в результате чего в начале 2011 года и появился международный проект OpenWorm, объединивший специалистов из США, Англии, Италии, Ирландии и России.
Ограничивается ли ваша работа лишь нервной системой C. elegans?
– Наша группа специализируется на компьютерном моделировании в области биофизики живых систем. Поэтому на первом этапе мы ориентируемся на мышечную, сенсорную и нервную системы, объединённые на базе реалистичной модели тела червя. Добавьте сюда также модель внешней среды, в которой реализованы необходимые физические законы.
На сегодня у нас практически завершена новая модель тела червя, оснащённого мышечной системой.
Нигде в мире она не имеет аналогов ни по уровню детализации, ни по точности воспроизведения физических свойств червя и его окружения.
В нашу модель включена и водонепроницаемая, заполненная жидкостью под давлением оболочка тела (его гидростатический скелет); и мышечные клетки, каждая из которых расположена на своём месте и представлена десятками мышечных волокон; и модель реалистичного внешнего окружения, позволяющая включать твёрдые, эластичные и жидкие объекты и учитывающая все основные силы: вязкость, трение, поверхностное натяжение, гравитацию и др.
Взгляд изнутри. Оболочка, заполненная жидкостью под давлением
Нервной системой занимаются главным образом наши зарубежные партнёры. Однако теперь, когда мы близки к завершению столь серьёзного этапа проекта, наша группа из ИСИ СО РАН планирует присоединиться к работе по моделированию нервной и сенсорной систем. Возможно, в итоговую модель нам удастся включить не только нервные импульсы, но и химические межклеточные сигналы, также играющие большую роль в регуляции работы организма.
С какого уровня «глубины» начинается моделирование? Охватывает ли оно отдельные органеллы клетки, геном? Или расчёты ведутся, начиная с отдельных клеток и их взаимодействий?
– Органеллы и геном – несомненно, нет. Первая «виртуальная клетка» была создана совсем недавно, в конце 2012 года. И надо понимать, что это – модель простейшего одноклеточного, микоплазмы, у которой всего 525 генов (для сравнения – у C. elegans их около 19700). При этом она включает 28 отдельных модулей и описывает процессы, которые задаются 1900 параметрами. Вычислительная сложность такой модели довольно высока, но вполне реальна – скажем, для моделирования процесса деления клетки требуется 10 часов симуляции.
В любом случае, это проект совсем иного уровня, со своими целями и задачами. Но вот для изучения фундаментальных принципов работы нервной системы мы предпочли выбрать C. elegans, организм многоклеточный, и при этом предельно простой, хорошо изученный и обладающий широкими возможностями реакций на состояние внешней среды.
Если отвлечься от устройства червя на устройство его виртуальной копии – как организована эта модель?
– Всё, что касается физической модели червя, находится в составе единой программной системы и представляется в виде частиц того или иного типа (жидкость, эластичное или твердое тело) и связей между ними. Группы соседних частиц могут быть соединены непроницаемой мембраной, не пропускающей все остальные частицы через заданную плоскость. Эта наша разработка позволила эффективно моделировать замкнутые эластичные оболочки, заполненные жидкостью, будь то клеточная мембрана или оболочка тела червя.
Этот симулятор, ориентированный на задачи моделирования в области биофизики живых систем, был разработан нашей группой из ИСИ СО РАН и получил название Sibernetic. Работа его достаточно требовательна к вычислительным мощностям. В ролике можно видеть 0,35 секунды перемещения виртуального червя, обсчёт которых потребовал нескольких дней работы нашей системы с четырьмя 16-ядерными процессорами.
По счастью, мы ждём, что уже в этом году ситуация с доступными для нас вычислительными ресурсами улучшится: нам удалось получить грант РФФИ, который позволит купить необходимое оборудование.
Каковы ваши следующие шаги и планы? И конечная цель – видимо, воссоздание организма червя целиком?
– Задачей OpenWorm является разработка детальной, вплоть до клеточного уровня, действующей модели C. elegans. Цель же всего проекта – получение фундаментальных знаний о принципах работы нервной системы как целого, в условиях, приближенных к естественным.
Для нервной системы это значит – получать сигналы от сенсорной системы, возможность управлять организмом посредством активации мышечной системы, а в ответ принимать обновлённую информацию о внешнем мире.
С помощью средств 3D-визуализации исследователи смогут в мельчайших деталях наблюдать как саму нейронную и мышечную активность, так и их результат – поведение виртуальной нематоды. Это позволит выйти на совершенно новый, значительно более эффективный и комфортный уровень «отладки» работы той или иной предложенной модели нервной системы, а открытый исходный код позволит любому коллективу исследователей использовать нашу разработку.
Трехмерная модель нервной системы нематоды
Если заглянуть ещё дальше – насколько далека перспектива моделирования нервной системы человека? А может быть и всего организма?
– Этой задачей занимаются уже сейчас, в том числе в рамках таких масштабных проектов, какThe Human Brain Project и The Human Connectome Project.
Но надо помнить, что у червя всего 302 нейрона, у человека же, по последним данным, – более 86 миллиардов. При этом каждый нейрон образует 1000–10000 связей с другими клетками. Так что моделирование нервной системы человека – это, конечно, «журавль в небе», а вот нематоды – это та «синица», которая у нас уже скоро будет в руках.
C. elegans изучен вдоль и поперёк своего миллиметрового тела, так, как не изучен, пожалуй, ни один многоклеточный организм на Земле. Полностью установлена последовательность его ДНК, включающая около 20 тысяч генов. Прослежена судьба каждой из чуть менее тысячи клеток, составляющих его организм. Выяснены основные взаимосвязи между всеми 302 его нейронами – примерно 7000 соединений.
Как ни удивительно, но эта нехитрая на первый взгляд живая система, которую удалось разложить буквально по полочкам, является совершенно самостоятельным, свободноживущим существом, которое активно реагирует на происходящее вокруг. Нервная система C. elegans способна даже к обучению и формированию условных рефлексов! Несмотря на свою ограниченность, она прекрасно действует, обеспечивая извлечение и запоминание опыта, который поставляют механические, химические и температурные рецепторы тела.
Возможно, именно в этом таится особая притягательность C. elegans: кажется, что именно этот мелкий червячок – стоит только внимательно всмотреться – раскроет главную тайну существования всей жизни на Земле. Недаром один из крупнейших исследователей нематоды, нобелевский лауреат 2002 года Джон Салтсон (John Sultson) заметил: «Когда мы поймем червя, мы поймем жизнь».
Но «понимать червя» можно по-разному. Вы можете пытаться разобрать его на всё более мелкие детали, стремясь понять, как они работают. А можете, наоборот, попытаться самостоятельно собрать из известных элементов целый организм, и в процессе лучше понять, как они работают вместе и как рождают всю сложность живого существа.
Общий вид. Червь на гладкой поверхности
Удобнее всего сделать это виртуально, создав компьютерные модели каждого нейрона и каждого синапса нервной системы C. elegans. А затем проследить, как они будут взаимодействовать друг с другом и управлять деятельностью таких же модельных клеток остальных систем организма, координируя все его функции, от пищеварения до поведения.
Над исследованием и моделированием различных систем C. elegans работают многие учёные по всему миру. И одним из самых успешных в этой области стал проект OpenWorm, ключевую роль в котором играют российские учёные. О работе над созданием «виртуальной нематоды» STRF.ru рассказал один из авторов OpenWorm, кандидат физико-математических наук, учёный секретарь Института систем информатики имени А. П. Ершова СО РАН (Новосибирск) Андрей Юрьевич Пальянов:
– Многие научные коллективы работали и работают над этой задачей, однако до её решения остается ещё далеко. Их главная проблема состоит в том, что обычно задачей занимаются небольшие команды с той или иной специализацией. А в данном случае явно требуется объединение усилий экспериментаторов и теоретиков, специалистов в области нейробиологии, биофизики, кибернетики, компьютерного моделирования, программирования, высокопроизводительных вычислений. Мы понимали это и с самого начала старались идти на контакт с коллегами по задаче, в результате чего в начале 2011 года и появился международный проект OpenWorm, объединивший специалистов из США, Англии, Италии, Ирландии и России.
Ограничивается ли ваша работа лишь нервной системой C. elegans?
– Наша группа специализируется на компьютерном моделировании в области биофизики живых систем. Поэтому на первом этапе мы ориентируемся на мышечную, сенсорную и нервную системы, объединённые на базе реалистичной модели тела червя. Добавьте сюда также модель внешней среды, в которой реализованы необходимые физические законы.
На сегодня у нас практически завершена новая модель тела червя, оснащённого мышечной системой.
Нигде в мире она не имеет аналогов ни по уровню детализации, ни по точности воспроизведения физических свойств червя и его окружения.
В нашу модель включена и водонепроницаемая, заполненная жидкостью под давлением оболочка тела (его гидростатический скелет); и мышечные клетки, каждая из которых расположена на своём месте и представлена десятками мышечных волокон; и модель реалистичного внешнего окружения, позволяющая включать твёрдые, эластичные и жидкие объекты и учитывающая все основные силы: вязкость, трение, поверхностное натяжение, гравитацию и др.
Взгляд изнутри. Оболочка, заполненная жидкостью под давлением
Нервной системой занимаются главным образом наши зарубежные партнёры. Однако теперь, когда мы близки к завершению столь серьёзного этапа проекта, наша группа из ИСИ СО РАН планирует присоединиться к работе по моделированию нервной и сенсорной систем. Возможно, в итоговую модель нам удастся включить не только нервные импульсы, но и химические межклеточные сигналы, также играющие большую роль в регуляции работы организма.
С какого уровня «глубины» начинается моделирование? Охватывает ли оно отдельные органеллы клетки, геном? Или расчёты ведутся, начиная с отдельных клеток и их взаимодействий?
– Органеллы и геном – несомненно, нет. Первая «виртуальная клетка» была создана совсем недавно, в конце 2012 года. И надо понимать, что это – модель простейшего одноклеточного, микоплазмы, у которой всего 525 генов (для сравнения – у C. elegans их около 19700). При этом она включает 28 отдельных модулей и описывает процессы, которые задаются 1900 параметрами. Вычислительная сложность такой модели довольно высока, но вполне реальна – скажем, для моделирования процесса деления клетки требуется 10 часов симуляции.
В любом случае, это проект совсем иного уровня, со своими целями и задачами. Но вот для изучения фундаментальных принципов работы нервной системы мы предпочли выбрать C. elegans, организм многоклеточный, и при этом предельно простой, хорошо изученный и обладающий широкими возможностями реакций на состояние внешней среды.
Если отвлечься от устройства червя на устройство его виртуальной копии – как организована эта модель?
– Всё, что касается физической модели червя, находится в составе единой программной системы и представляется в виде частиц того или иного типа (жидкость, эластичное или твердое тело) и связей между ними. Группы соседних частиц могут быть соединены непроницаемой мембраной, не пропускающей все остальные частицы через заданную плоскость. Эта наша разработка позволила эффективно моделировать замкнутые эластичные оболочки, заполненные жидкостью, будь то клеточная мембрана или оболочка тела червя.
Этот симулятор, ориентированный на задачи моделирования в области биофизики живых систем, был разработан нашей группой из ИСИ СО РАН и получил название Sibernetic. Работа его достаточно требовательна к вычислительным мощностям. В ролике можно видеть 0,35 секунды перемещения виртуального червя, обсчёт которых потребовал нескольких дней работы нашей системы с четырьмя 16-ядерными процессорами.
По счастью, мы ждём, что уже в этом году ситуация с доступными для нас вычислительными ресурсами улучшится: нам удалось получить грант РФФИ, который позволит купить необходимое оборудование.
Каковы ваши следующие шаги и планы? И конечная цель – видимо, воссоздание организма червя целиком?
– Задачей OpenWorm является разработка детальной, вплоть до клеточного уровня, действующей модели C. elegans. Цель же всего проекта – получение фундаментальных знаний о принципах работы нервной системы как целого, в условиях, приближенных к естественным.
Для нервной системы это значит – получать сигналы от сенсорной системы, возможность управлять организмом посредством активации мышечной системы, а в ответ принимать обновлённую информацию о внешнем мире.
С помощью средств 3D-визуализации исследователи смогут в мельчайших деталях наблюдать как саму нейронную и мышечную активность, так и их результат – поведение виртуальной нематоды. Это позволит выйти на совершенно новый, значительно более эффективный и комфортный уровень «отладки» работы той или иной предложенной модели нервной системы, а открытый исходный код позволит любому коллективу исследователей использовать нашу разработку.
Трехмерная модель нервной системы нематоды
Если заглянуть ещё дальше – насколько далека перспектива моделирования нервной системы человека? А может быть и всего организма?
– Этой задачей занимаются уже сейчас, в том числе в рамках таких масштабных проектов, какThe Human Brain Project и The Human Connectome Project.
Но надо помнить, что у червя всего 302 нейрона, у человека же, по последним данным, – более 86 миллиардов. При этом каждый нейрон образует 1000–10000 связей с другими клетками. Так что моделирование нервной системы человека – это, конечно, «журавль в небе», а вот нематоды – это та «синица», которая у нас уже скоро будет в руках.
-
Aлексей
- 1
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.
0
Держись, брателло -нематода!))
Мысленно мы с тобой!
- ↓
+1
Безусловно очень важное и нужное исследование.
- ↓
