一种模拟果蝇翅膀发育的新型计算模型使研究人员能够识别器官生成背后先前隐藏的机制。

由于果蝇和人类的器官发育方式非常相似，因此来自该模型的生物学见解可用于诊断和治疗人类疾病，如癌症、阿尔茨海默氏症和先天性遗传缺陷。

圣母大学化学与生物分子工程副教授Jeremiah Zartman与一支多学科研究团队(其中包括来自加州大学河滨分校的合作者)合作开发了一种果蝇模型，以逆向工程产生器官组织的机制。

研究小组的研究成果发表在《自然通讯》杂志上，为人们了解调节器官细胞大小和形状的化学和机械杠杆提供了更深入的理解。

“我们正试图在计算机中模拟一个器官——实际上是创建该器官的数字孪生，”扎特曼说。“我们正在提取不同的细胞和细胞部分，看看我们能否预测它们将如何相互作用。”

器官的发育是响应扎特曼所说的“信号交响曲”。研究人员的果蝇模型整合了协调细胞运动、收缩、粘附和增殖的众多信号。它还结合了细胞成分的机械、化学和结构特性，并解释了这些特性如何随时间和不同位置而变化。

该模型和他的实验室的实验结果均表明，有两种不同的化学信号通路或信号序列，可以产生弯曲或扁平的组织——确定产生特定形状器官的灵活性和可调性。

接受胰岛素信号的细胞导致组织曲率增加，而接受其他两种关键生长调节剂输入的细胞则使组织变平。研究人员发现，这些生长调节剂还操纵细胞的内部框架或细胞骨架，进一步塑造细胞大小和形状。

Zartman 团队的宏观目标是确定从模拟苍蝇器官研究中收集到的生物学规则与植物、鱼类和人类等不同系统的共享程度。

“我们未来的目标是开发一种数字原型器官，解决生物学的一个基本问题——细胞如何产生功能性器官?”扎特曼说。

该团队正在进行的工作由国家科学基金会的生物学稳健性、整合和组织新兴机制 (EMBRIO) 研究所以及生物系统规则和意外现象模型 (MODULUS) 计划资助。