Sugestão para o desenvolvimento de um modelo computacional de sistemas físicos - gêmeos digitais (DT)

Definindo o objetivo do modelo:

Como vimos anteriormente apesar da limitação relacionada ao sistema imunológico e ao processo inflamatório a C. elegans possui algumas proteínas e moléculas relacionadas a sua forma de defesa frente a agentes agressores físicos. Existe uma classe de moléculas destinadas na resposta ao estresse físico, as hsp-16, por exemplo, que são ativadas em resposta ao estresse térmico ambiental. O objetivo dessa proteína é auxiliar no equilíbrio estrutural, nutricional e funcional que permitem o organismo a desempenhar suas funções vitais.

Sugerimos diante dessas limitações a construção de um modelo mais simples, que possa simular o processo de defesa frente agentes estressores térmicos através do reconhecimento da proteína hps-16 pela rede neural sensitiva da C.elegans. Como resposta a dinâmica de temperatura ambiental teremos uma alteração no nível de hps-16, que será auxiliar no mecanismo de defesa denominado taxonomia.

Sugestão de Modelagem:

Criação do organismo:

Durante a pesquisa e desenvolvimento do modelo utilizamos a línguagem de programação Python™ e utilizaremos recursos disponiblizados pelos colaboradores de projeto OpenWorm. Além de utilizar os recursos ofertados pela NASA e seus colaboradores. Iniciamos tentando criar um gêmeo digital a partir de uma imagem bidimensional do C. elegans, para em seguida incluir o sistema nervoso e ir gradativamente incluindo camadas até compor a estrutura fundamental para a proposta do experimento: avaliação do comportamento do organismo frente agressor térmico. Escolhemos o sistema nervoso pois como iremos relatar ele é responsável pela percepção sensorial, mecanismo importante para a sobrevivência de qualquer organismo.

A partir desse ponto achamos relevante ter a utilização do aumento da temperatura como indicador de estresse celular e indicador de um processo inflamatório no desenvolvimento do modelo digital para avaliar a sobrevivência dos seres vivos em ambiente espacial. Em relação ao sistema nervoso, sugerimos um código que destaque através de cores diferente os tipos de neurônios que compõe o sistema nervoso da C. elegans, isso irá nos ajudar a visualizar e identificar e distinguir a rede neural sensitiva, sistema nervoso central e rede neural motora. Escolhemos a variação de temperatura como o variável porque observamos sua importância na identificação e previsão de possíveis alterações patológicas. Já que últimos anos utilizamos a medida da temperatura corporal foi uma ferramenta aliada no controle controle da pandemia (COVID-19). Sendo esse um dos sinais vitais indicativos da perda de homeóstase orgânica.

Para auxiliar na escrita do código utilizamos o ChatGPT (ferramenta de Inteligência Artificial Generativa). Porém descartamos a utilização do código e optamos em tentar utilizar os códigos disponíveis pelos colaboradores do projeto OpenWorm para realizar as simulações. Já que o projeto OpenWorm apresenta um rico repositório com códigos bem elaborados para simulação.

Para visualização e interatividade do modelo - OpenWorm - citado acesse:

http://browser.openworm.org/#nav=-4.96,-0.53,18.28

Durante nossa pesquisa também encontramos informações referentes a inclusão de conexões dos neurônios com órgãos sensoriais e músculos do corpo, (LR Varshney, BL Chen, E. Paniagua, DH Hall e DB Chklovskii). O que está em sincronia com nossa idéia. Porém até o presente momento não encontramos informações sobre o processo de sensibilização das redes neurais do C. elegans frente um agente agressor físico, temperatura responsável pelo mecanismo de termotaxia.

É importante conceituar termotaxia e sua relevância para o estudo da biologia espacial utilizando um modelo de C. elegans. De forma simples podemos dizer termotaxia é o mecanismo que o organismo faz ao movimentar em direção a temperaturas direcionadas (temperaturas preferênciais está relacionada a ambientes preferenciais), evitando temperaturas desfavoráveis, através da sua sensibilidade (neurológica) as variações de temperatura. No caso do ambiente espacial a variação de temperatura pode ser extrema, apresentando condições de frio intenso no espaço profundo e calor excessivo quando o organismo é exposto à radiação solar direta. Dessa forma o estudos de termotaxia podem ajudar a avaliar como C. elegans se comporta em resposta a essas variações de temperatura no espaço, garantindo a sua hemostasia (equilíbrio entre ambiente e organismo) propício para a sobrevivência.

A termotaxia poderá auxiliar nos estudos relacionados a manutenção e a regulação térmica das naves espaciais e dos equipamentos, através do forneceimento de insights sobre como C. elegans irá responder às mudanças de temperatura em ambientes espaciais estressor. Além disso podemos coletar dados e produzir informações sobre a adaptação às condições espaciais analisando o processo de adaptação da C. elegans às condições estressantes do ambiente espacial.

Sugestão de implementações do modelo através de um ambiente simulado:

Por possuir limitações relacionadas ao desenvolvimento e implementação dos códigos necessários para alcançar os objetivos propostos. Iremos conduzir nosso projeto apresentando sugestões que possam colaborar com os programas em desenvolvimento. Ao sugerir a inflamação como inspiração para criação de um gêmeo digital, acreditamos que percepção da interrelação entre modelo e ambiente é um ponto relevante no que diz respeito ao comportamento do ser vivo. A justificativa é que os fatores ambientais são responsáveis pela resposta e adaptação do organismo.

Para que possamos reproduzir com precisão o comportamento real observado em C. elegans num modelo digital precisamos criar um ambiente simulado que possa ter a capacidade de modificar o nível de temperatura. Segundo o ensaio de preferência térmica realizado por Hedgecock e Russell em 1975 os organismos C. elegans conseguem sobrevier em ambientes com temperaturas entre 15 e 25°C. É importante relatar que em 2011 Glauser et. al. utilizaram o mesmo equipamento dos ensaios para a determinação de preferência térmica e constataram que acima de >26°C é nocivo para as C. elegans. Dessa forma, durante o processo de validação do modelo iremos comparar utilizando teste através do processo de termotaxia com os gradientes de temperatura utilizados. Simular a variação do nível de temperatura e a posição de C. elegans em segundos, ajustando o código para trabalhar com unidades de tempo menores, é uma alternativa para coletarmos melhores dados em tempo real.

Sugestão de um ambiente simulador:

A idéia de criar um simulador onde existirá um ambiente espacial virtual composto por um fatores estressores onde podemos observar a relação com a representação digital de C. elegans é uma outra sugestão que pode facilitar os estudos. Imaginamos esse ambiente de forma circular (uma bola) transparente onde temos a C.elegans centralizada, podendo ser deslocada após a exposição aos diferentes agressores (que podem ter forma e cores diferentes para melhor visualização.

Sugestão de validação e teste através do processo de termotaxia:

Como se trata de um projeto inicial, onde possuímos limitações. Sugerimos que o processo de validação da confiabilidade e precisão do modelo digital poderia ter como norteador o mecanismo de termotaxia. Para que possamos comparar projeções obtidas através das simulações de comportamento in vivo com dados científicos utilizando o gêmeo digital no ambiente simulado acima descrito. A utilização das informações disponíveis no trabalho "Comportamento de Navegação por Termotaxia” disponível na base de dados da WormBase (http://www.wormbook.org/chapters/www_thermonav/thermonav.html) poderá ser utilizada como um exercício.

Sugestão de aplicações e análise utilizando uma interrelação entre o sistema nervoso e o sistema imunológico:

Achamos interessante tentar usar o gêmeo digital para realizar experimentos virtuais e análises através de um código que possa interligar os sistemas nervoso e imunológico. O objetivo é coletar dados sobre o comportamento e a previsão de resposta da C. elegans quando exposta a diferentes condições de temperatura ambiental. A justificativa para tal interrelação é que em organismos mais complexos temos um elevado nível de relação entre estes sistemas no processo de sobrevivência. No código podemos considerar que a resposta ao estresse devido o aumento de temperatura pelo sistema nervoso de C. elegans também irá afetar seu sistema imunológico. Por exemplo, um nível elevado de temperatura pode levar a uma resposta imunológica mais forte como uma forma de defasa contra danos celulares que levem a um desequilíbrio da homeostase.

Como relatado no início do projeto o sistema imunológico e o processo de inflamação estão presentes em organismo mais complexos, que gerenciam os mecanismos de agressão e defesa objetivando a homeostase. Mesmo sabendo que a C. elegans não possui um sistema de inflamação, até porque por ser um organismo simples não contém tecidos especializados para formação do sistema imunológico, como o conjuntivo e o tecido sanguíneo, por exemplo, que são a base da resposta inflamatória frete um estimulo agressor.

Porém achamos que seria interessante propor a inclusão de um código que considerasse a inflamação como uma resposta imunológica específica ao estresse ambiental. O código abaixo calcula a intensidade da inflamação proporcionalmente ao nível de temperatura. Para criar uma relação onde níveis mais altos de temperatura levam a uma resposta imunológica mais intensa, incluindo a inflamação.

Comunicação dos resultados:

Apesar dos primeiros passos em relação ao desenvolvimento do código não suprisse a nossa expectativa, a criação do repositório contendo as sugestões com o objetivo de sensibilizarmos outros profissionais para contribuição surtiu um efeito positivo para que possamos continuar a estudar e a compartilhar o que iremos aprender em conjunto.

Referências:

NASA Open Science Data Repository (OSDR)

https://osdr.nasa.gov/bio/repo/search?q=&data_source=cgene,alsda&data_type=study

OpenWorm

https://docs.openworm.org

Repositório do Projeto OpenWorm

https://docs.openworm.org/Community/repositories/

Thermotaxis Navigation Behavior

http://www.wormbook.org/chapters/www_thermonav/thermonav.html

NeuroML

https://neuroml.org

WormBase

https://wormbase.org/#012-34-5

WormBook

http://www.wormbook.org/chapters/www_thermonav/thermonav.html

NIH - National Library of Medicine

Thermotaxis of C. elegans as a model for temperature perception, neural information processing and neural plasticity

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3670169/

PNAS - Proceedings of the National Academy of Sciences

Bidirectional thermotaxis in Caenorhabditis elegans is mediated by distinct sensorimotor strategies driven by the AFD thermosensory neurons

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1315205111

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