Νέος κώδικας υπολογιστή για τρισδιάστατη μηχανική ιστών και κυττάρων

Τα βιολογικά υλικά αποτελούνται από μεμονωμένα στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων μικροσκοπικών κινητήρων που μετατρέπουν το καύσιμο σε κίνηση. Αυτό δημιουργεί μοτίβα κίνησης και το υλικό διαμορφώνεται με σταθερές ροές μέσω της συνεχούς κατανάλωσης ενέργειας. Αυτά τα συνεχώς παρασυρόμενα υλικά ονομάζονται ενεργό υλικό.

Η μηχανική των κυττάρων και των ιστών μπορεί να περιγραφεί από τη θεωρία της ενεργούς ύλης, ένα επιστημονικό πλαίσιο για την κατανόηση του σχήματος, της ροής και της μορφής των ζωντανών υλικών. Η θεωρία της ενεργού ύλης αποτελείται από πολλές δύσκολες μαθηματικές εξισώσεις.

Επιστήμονες από το Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) Dresden, το Center for Systems Biology Dresden (CSBD) και το TU Dresden ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο, που εφαρμόζεται σε κώδικα υπερυπολογιστή ανοιχτού κώδικα, ο οποίος μπορεί για πρώτη φορά να λύσει οι εξισώσεις της θεωρίας της ενεργούς ύλης σε ρεαλιστικά σενάρια.

Αυτές οι λύσεις μας φέρνουν πολύ πιο κοντά στην επίλυση του αιωνόβιου παζλ του πώς τα κύτταρα και οι ιστοί παίρνουν σχήμα και στο σχεδιασμό τεχνητών βιολογικών μηχανών.

Οι βιολογικές διεργασίες και συμπεριφορές είναι συχνά πολύ περίπλοκες. Οι φυσικές θεωρίες παρέχουν ένα ακριβές και ποσοτικό πλαίσιο για την κατανόησή τους. Η θεωρία της ενεργής ύλης παρέχει ένα πλαίσιο για την κατανόηση και την περιγραφή της συμπεριφοράς της ενεργού ύλης, δηλαδή υλικών που αποτελούνται από επιμέρους συστατικά ικανά να μετατρέπουν το χημικό καύσιμο («τροφή») σε μηχανικές δυνάμεις.

Αρκετοί επιστήμονες της Δρέσδης έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη αυτής της θεωρίας, συμπεριλαμβανομένου του Frank Jülicher, διευθυντή του Ινστιτούτου Max Planck για τη Φυσική των Σύνθετων Συστημάτων, και του Stephan Grill, διευθυντή του MPI-CBG.

Χρησιμοποιώντας αυτές τις αρχές της φυσικής, η δυναμική της ενεργού ζωντανής ύλης μπορεί να περιγραφεί και να προβλεφθεί με μαθηματικές εξισώσεις. Ωστόσο, αυτές οι εξισώσεις είναι εξαιρετικά πολύπλοκες και δύσκολες στην επίλυση. Επομένως, οι επιστήμονες χρειάζονται τη δύναμη των υπερυπολογιστών για να κατανοήσουν και να αναλύσουν τα ζωντανά υλικά.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι πρόβλεψης της συμπεριφοράς της ενεργού ύλης, άλλοι εστιάζουν σε μικροσκοπικά μεμονωμένα σωματίδια, άλλοι μελετούν την ενεργό ύλη σε μοριακό επίπεδο και άλλοι μελετούν ενεργά ρευστά σε μεγάλη κλίμακα. Αυτές οι μελέτες βοηθούν τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς η ενεργή ύλη συμπεριφέρεται σε διαφορετικές κλίμακες στο χώρο και στο χρόνο.

Λύστε σύνθετες μαθηματικές εξισώσεις

Επιστήμονες από την ερευνητική ομάδα του Ivo Sbalzarini, καθηγητή στο TU Dresden στο Centre for Systems Biology Dresden (CSBD), επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) και Κοσμήτορα της Σχολής Υπολογιστών Science TU Dresden Science έχει τώρα αναπτύξει έναν αλγόριθμο υπολογιστή για την επίλυση των εξισώσεων ενεργού ύλης. Η δουλειά τους δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Ρευστή Φυσική και φιγουράρει στο εξώφυλλο. Παρουσιάζουν έναν αλγόριθμο ικανό να λύνει τις μιγαδικές εξισώσεις της ενεργού ύλης σε τρεις διαστάσεις και σε χώρους μιγαδικού σχήματος.

«Η προσέγγισή μας μπορεί να χειριστεί διαφορετικά τρισδιάστατα σχήματα με την πάροδο του χρόνου», λέει ένας από τους πρώτους συγγραφείς της μελέτης, ο Abhinav Singh, ένας μαθηματικός που μελετήθηκε.

“Ακόμη και όταν τα σημεία δεδομένων δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα, ο αλγόριθμός μας χρησιμοποιεί μια νέα αριθμητική προσέγγιση που λειτουργεί άψογα για πολύπλοκα και ρεαλιστικά βιολογικά σενάρια για την ακριβή επίλυση των εξισώσεων της θεωρίας. Με την προσέγγισή μας, μπορούμε επιτέλους να κατανοήσουμε τη μακροπρόθεσμη συμπεριφορά των ενεργών υλικών σε «Τόσο κινητά όσο και ακίνητα σενάρια για να προβλέψουμε τη δυναμική τους. Επιπλέον, η θεωρία και οι προσομοιώσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον προγραμματισμό βιολογικών υλικών ή τη δημιουργία κινητήρων νανοκλίμακας για την εξαγωγή χρήσιμου έργου. ”

Ο άλλος πρώτος συγγραφέας, ο Philipp Suhrcke, μεταπτυχιακός τίτλος στην υπολογιστική μοντελοποίηση και προσομοίωση από το TU Dresden. πρόγραμμα, λέει: «Χάρη στη δουλειά μας, οι επιστήμονες μπορούν τώρα, για παράδειγμα, να προβλέψουν το σχήμα ενός ιστού ή πότε ένα βιολογικό υλικό θα γίνει ασταθές ή απορυθμισμένο, με σημαντικές επιπτώσεις στην κατανόηση των μηχανισμών ανάπτυξης και ασθένειας. ”

Ισχυρός κώδικας που μπορεί να χρησιμοποιήσει ο καθένας

Οι επιστήμονες υλοποίησαν το λογισμικό τους χρησιμοποιώντας τη βιβλιοθήκη ανοιχτού κώδικα OpenFPM, που σημαίνει ότι είναι δωρεάν διαθέσιμο σε άλλους. Το OpenFPM αναπτύχθηκε από την ομάδα Sbalzarini για τον εκδημοκρατισμό των επιστημονικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας.

Οι συγγραφείς ανέπτυξαν αρχικά μια προσαρμοσμένη γλώσσα υπολογιστή που επιτρέπει στους επιστήμονες υπολογιστών να γράφουν κώδικες υπερυπολογιστή προσδιορίζοντας τις εξισώσεις με μαθηματική σημειογραφία και αφήνοντας τον υπολογιστή να κάνει τη δουλειά για να δημιουργήσει τον σωστό κώδικα προγράμματος. Ως αποτέλεσμα, δεν χρειάζεται να ξεκινούν από το μηδέν κάθε φορά που γράφουν κώδικα, μειώνοντας αποτελεσματικά τους χρόνους ανάπτυξης κώδικα στην επιστημονική έρευνα από μήνες ή χρόνια σε ημέρες ή εβδομάδες, παρέχοντας έτσι τεράστια κέρδη παραγωγικότητας.

Λόγω των τεράστιων υπολογιστικών απαιτήσεων της μελέτης τρισδιάστατων ενεργών υλικών, ο νέος κώδικας είναι επεκτάσιμος σε παράλληλους υπερυπολογιστές πολλαπλών επεξεργαστών κοινής και κατανεμημένης μνήμης, μέσω της χρήσης του OpenFPM. Αν και η εφαρμογή έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε ισχυρούς υπερυπολογιστές, μπορεί επίσης να εκτελεστεί σε κανονικούς επιτραπέζιους υπολογιστές για τη μελέτη δισδιάστατων υλικών.

Ο επικεφαλής ερευνητής της μελέτης, Ivo Sbalzarini, δήλωσε: «Δέκα χρόνια έρευνας χρειάστηκαν για τη δημιουργία αυτού του πλαισίου προσομοίωσης και τη βελτίωση της παραγωγικότητας της επιστήμης των υπολογιστών. Όλα αυτά συνδυάζονται πλέον σε ένα εργαλείο για την κατανόηση της τρισδιάστατης συμπεριφοράς των ζωντανών υλικών. “.

“Ανοιχτού κώδικα, επεκτάσιμος και ικανός να χειρίζεται πολύπλοκα σενάρια, ο κώδικάς μας ανοίγει νέους δρόμους για τη μοντελοποίηση ενεργών υλικών. Αυτό θα μπορούσε τελικά να μας οδηγήσει στο να καταλάβουμε πώς τα κύτταρα και οι ιστοί παίρνουν το σχήμα τους, αντιμετωπίζοντας έτσι το θεμελιώδες ζήτημα της μορφογένεσης που έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον των επιστημόνων για Αλλά μπορεί επίσης να μας βοηθήσει να σχεδιάσουμε τεχνητές βιολογικές μηχανές με ελάχιστο αριθμό εξαρτημάτων.