OpenWorm es un proyecto internacional para crear un modelo informático ( in silico ) a nivel celular de uno de los microorganismos más estudiados [1] en la biología moderna : el gusano Caenorhabditis elegans [2] [3] [4] .
El objetivo final del proyecto es un modelo completo que incluya todas las células de C. elegans (poco menos de mil). En la primera etapa se simulará el movimiento del gusano, para lo cual se simula el trabajo de 302 células nerviosas y 95 células musculares. Para 2014 se crearon modelos del conectoma neural y células musculares. Un atlas anatómico interactivo tridimensional del gusano está disponible en el sitio web del proyecto. Los colaboradores del proyecto OpenWorm también están desarrollando la plataforma geppetto para modelar organismos completos [5] .
En 2015, el coordinador del proyecto, S. Larson, afirmó que las metas establecidas se lograron en un 20-30% [1] .
El gusano redondo C. elegans para la genética moderna es el análogo de la mosca Drosophila para las ciencias naturales clásicas; tiene uno de los sistemas nerviosos más simples, que consta de solo 302 neuronas [1] . Además, se ha estudiado la estructura de conexiones entre ellos ( conectoma ). Hay poco menos de mil células en el cuerpo del gusano, todas las cuales han sido identificadas y descritas en la literatura científica, ya que C. elegans es un organismo modelo popular . También se ha leído completamente el genoma del gusano, se han descrito muchas mutaciones, el comportamiento de los gusanos, etc.. Con un número tan bajo de neuronas, el uso de la microscopía de dos fotones puede permitir describir la actividad neuronal completa de un organismo vivo. Con la ayuda de tecnologías optogenéticas, será posible describir completamente la neurodinámica del cuerpo.
En el proceso de creación de un modelo in silico completo de un ser vivo, se crearán nuevas herramientas y métodos que simplificarán el modelado de organismos más complejos.
El proyecto Nemaload [6] es un programa de investigación para la búsqueda empírica de hechos biológicos que serán necesarios para una simulación ascendente completa. El fundador de Nemaload, David Dalrymple , es colaborador del proyecto OpenWorm.
A pesar del objetivo final declarado del proyecto de simular todo el cuerpo de C. elegans y sus patrones de comportamiento, el proyecto Open Worm inicialmente planea lograr solo simulaciones de las respuestas motoras más simples. Para hacer esto, el gusano virtual debe colocarse en un entorno virtual. Se requiere para lograr una retroalimentación completa a lo largo de la cadena: Estímulo ambiental - transducción sensorial - activación de neuronas intermedias - activación de neuronas motoras - contracción de células musculares - cambio ambiental - transducción sensorial, etc.
Los dos principales problemas técnicos son modelar las propiedades neuronales y eléctricas del sistema nervioso durante el procesamiento de la información y luego modelar las propiedades mecánicas del cuerpo del gusano durante el movimiento. Las propiedades de las neuronas están modeladas por las ecuaciones de Hodgkin Huxley, y las propiedades mecánicas están modeladas por el algoritmo hidrodinámico de partículas suavizadas.
El equipo de OpenWorm creó el programa Geppetto, que integra estos algoritmos y, gracias a su modularidad, podrá simular otros sistemas biológicos (por ejemplo, la digestión).
El equipo también creó el entorno NeuroConstruct, que describe las estructuras de las neuronas en formato NeuroML. Se reconstruyó un conectoma completo de C. elegans usando NeuroConstruct .
También se creó un modelo de una célula muscular en formato NeuroML. Sin embargo, los modelos actualmente incluyen solo las reacciones más simples, no propiedades eléctricas o mecánicas.
En la próxima etapa del proyecto, los participantes conectarán una célula muscular a seis neuronas y estudiarán su interacción.
En el futuro, el proceso se repetirá para las células musculares restantes.