.
Cientistas da Johns Hopkins Medicine dizem ter desenvolvido um modelo de computador – apelidado de mapeamento quantitativo do destino – que olha para trás na linha do tempo do desenvolvimento para rastrear a origem das células em um organismo totalmente desenvolvido. O novo modelo, dizem eles, pode ajudar os pesquisadores a identificar com mais precisão quais células adquirem alterações durante o desenvolvimento que mudam o destino de um organismo de saudável para estados de doença, incluindo câncer e demência.
A conquista, descrita na edição de 23 de novembro da Célulausa algoritmos matemáticos que levam em consideração a velocidade geral com que as células se dividem e se diferenciam, a taxa na qual as mutações se acumulam naturalmente e outros fatores conhecidos do desenvolvimento do organismo.
“Podemos usar esse método para examinar o desenvolvimento de organismos a partir de amostras de células, incluindo aquelas de organismos não-modelos, como baleias jubarte, que normalmente não estudamos”, disse Reza Kalhor, Ph.D., professor assistente de engenharia biomédica. , medicina genética, biologia molecular e genética e neurociência na Universidade e Escola de Medicina Johns Hopkins. “Por exemplo, com uma amostra de células da carcaça de uma baleia jubarte, podemos entender como ela se desenvolveu como um embrião”.
O novo modelo de computador é baseado no fato de que todo organismo vivo complexo vem de uma única célula fertilizada, ou zigoto. Essa célula se divide e as células-filhas continuam se dividindo, eventualmente se diferenciando em células especializadas nos tecidos. Os seres humanos, por exemplo, têm cerca de 70 trilhões de células individuais e vários milhares de tipos de células.
Cada vez que uma célula se divide, pode ocorrer uma mutação, e essa alteração é transmitida para as células filhas, que se dividem novamente, talvez adquirindo uma segunda mutação, ambas transmitidas para as células filhas, e assim por diante. As mutações agem como uma espécie de código de barras detectável com equipamentos de sequenciamento genômico. Os cientistas podem rastrear essas mutações na ordem inversa para construir a linhagem de uma célula, dizem eles.
O programa de mapeamento quantitativo do destino tem duas partes. Um deles é um programa de computador chamado Phylotime, que lê as mutações celulares como códigos de barras para inferir a escala de tempo associada às divisões celulares. O nome Phylotime significa reconstrução filogenética usando a probabilidade de tempo. Na biologia, a filogenia descreve e descreve linhas de desenvolvimento evolutivo. A segunda parte desenvolvida pela equipe de Johns Hopkins é um algoritmo de computador chamado ICE-FASE, que cria um modelo de hierarquia e linhagens de células dentro de um organismo com base nas escalas de tempo das divisões celulares.
Para testar o modelo de computador, a equipe de Johns Hopkins induziu mutações em células pluripotentes induzidas por humanos (iPSCs) em determinados locais do genoma e em momentos aleatórios. Tais iPSCs dão origem a quase todas as células do corpo humano. Eles cultivaram as células e as deixaram se dividir, seguindo a mutação original e as que ocorreram espontaneamente nas células filhas subsequentes.
No final do experimento, os pesquisadores realizaram o sequenciamento genômico no grupo final de células-filhas e inseriram as mutações que encontraram no modelo de computador.
O resultado foi uma espécie de árvore genealógica que se estende desde o iPSC humano original.
Os pesquisadores podem construir um ancestral de células maduras comparando as combinações de mutações e desenhando uma imagem muito mais precisa de como o organismo se desenvolveu. Eles testaram o modelo com simulações de computador de células de camundongos e iPSCs humanos.
Kalhor diz que a nova ferramenta pode ajudar os cientistas a comparar estados normais e patológicos em organismos, incluindo humanos. “Esta ferramenta pode ser útil para mostrar como e quando as células se desviam do caminho normal, o que pode ajudar no desenvolvimento de ferramentas de prevenção de doenças ou terapias curativas”, acrescenta Kalhor.
Os chamados “mapas de destino” celulares desenvolvidos pela ferramenta de mapeamento quantitativo de destino fornecem um histórico dos eventos de determinação do destino celular que ocorreram durante o desenvolvimento de um organismo, mas, diferentemente dos estudos de sequenciamento genômico sozinhos, a nova ferramenta mostra quando ocorreu o compromisso do destino e a relação de um grande número de diferentes tipos de células na população, diz Weixiang Fang, Ph.D., pós-doutorado no departamento de engenharia biomédica da Johns Hopkins e primeiro autor do estudo.
Embora o modelo de computador possa construir como e quando as células se desenvolvem em um organismo, ele não pode determinar se as mutações espontâneas ocorrem devido a fatores externos, internos ou aleatórios.
Fang e Kalhor tornaram o Phylotime gratuito para uso por outros cientistas, e está disponível online.
A pesquisa foi apoiada pela Simons Foundation, National Institutes of Health e David and Lucile Packard Foundation.
Outros cientistas que contribuíram para a pesquisa incluem Hongkai Ji, Ph.D., professor de bioestatística na Escola de Saúde Pública Johns Hopkins Bloomberg, que co-supervisionou o estudo, bem como Claire Bell, Abel Sapirstein, Soichiro Asami, Kathleen Leeper e Donald Zack da Johns Hopkins.
.
