Een team van wetenschappers heeft een nieuw algoritme ontwikkeld om theoretische vergelijkingen van actieve materie op te lossen, waardoor ons begrip van levende materialen wordt verdiept. Dit werk is van cruciaal belang op het gebied van de biologische en computationele wetenschappen en maakt de weg vrij voor nieuwe ontdekkingen in de celmorfologie en de creatie van kunstmatige biologische machines.
Een open source, geavanceerd supercomputeralgoritme voorspelt de morfologie en dynamiek van biologische materialen, waardoor ze hun gedrag in ruimte en tijd kunnen onderzoeken.
Biomaterialen bestaan uit afzonderlijke componenten, waaronder kleine motoren die brandstof in beweging zetten. Dit proces creëert bewegingspatronen waardoor het materiaal zichzelf kan vormen door een samenhangende stroom, aangedreven door constant energieverbruik. Deze permanent geactiveerde materialen worden "actieve stoffen" genoemd.
De mechanica van cellen en weefsels kan worden beschreven met behulp van de actieve materietheorie, een wetenschappelijk raamwerk voor het begrijpen van de vorm, stroom en vorm van levende materie. Actieve materietheorie bestaat uit vele uitdagende wiskundige vergelijkingen.
Wetenschappers van het Max-Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica in Dresden (MPI-CBG), het Centrum voor Systeembiologie Dresden (CSBD) en de TU Dresden hebben nu een algoritme ontwikkeld en geïmplementeerd in een open-source supercomputercode die het voor het eerst mogelijk maakt om theoretische vergelijkingen van actieve materie in real-life scenario's op te lossen. Deze oplossingen brengen ons een gigantische stap dichter bij het oplossen van het eeuwenoude mysterie van hoe cellen en weefsels hun vorm krijgen en bij het ontwerpen van kunstmatige biologische machines.
Biologische processen en gedragingen zijn vaak erg complex. Fysische theorieën bieden een nauwkeurig kwantitatief raamwerk om ze te begrijpen. De theorie van actief materiaal biedt een raamwerk voor het begrijpen en beschrijven van het gedrag van actieve materialen, dit zijn materialen die zijn samengesteld uit individuele componenten die chemische brandstof ("voedsel") kunnen omzetten in mechanische kracht.
Verschillende wetenschappers in Dresden speelden een sleutelrol in de ontwikkeling van deze theorie, waaronder Frank Jülicher, directeur van het Max Planck Instituut voor Fysica van Complexe Systemen, en Stephan Grill, directeur van het Max Planck Instituut voor Fysica van Complexe Systemen. Gewapend met deze natuurkundige principes kunnen wiskundige vergelijkingen worden gebruikt om de dynamiek van actieve levende materie te beschrijven en te voorspellen.
Deze vergelijkingen zijn echter uiterst complex en moeilijk op te lossen. Daarom hebben wetenschappers de kracht van supercomputers nodig om levende materie te begrijpen en te analyseren. Er zijn veel methoden om het gedrag van actieve materialen te voorspellen. Sommige richten zich op kleine individuele deeltjes, andere bestuderen actieve materialen op moleculair niveau en weer andere bestuderen actieve vloeistoffen op grote schaal. Deze onderzoeken helpen wetenschappers begrijpen hoe actieve stoffen zich gedragen op verschillende ruimtelijke schalen en tijdschalen.
Los complexe wiskundige vergelijkingen op
Wetenschappers uit de onderzoeksgroep van Ivo Sbalzarini, professor aan het Center for Systems Biology Dresden (CSBD) aan de TU Dresden, leider van de onderzoeksgroep aan het Max-Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica (MPI-CBG) en directeur van de School of Computer Science aan de TU Dresden, hebben nu een computeralgoritme ontwikkeld dat de vergelijkingen van bewegende materie kan oplossen.
Hun onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Physics of Fluids en stonden op de omslag. Het door hen voorgestelde algoritme kan complexe vergelijkingen van bewegende materie in driedimensionale en complex gevormde ruimtes oplossen.
"Onze methode kan omgaan met verschillende vormen die in de loop van de tijd in de driedimensionale ruimte veranderen", zegt wiskundige Abhinav Singh, een van de eerste auteurs van het onderzoek. "Ons algoritme maakt gebruik van een nieuwe numerieke benadering die complexe vormen naadloos kan verwerken, zelfs als de datapunten niet regelmatig verdeeld zijn." Biologisch realistische scenario's, waarbij theoretische vergelijkingen nauwkeurig worden opgelost. Met behulp van onze methode kunnen we eindelijk het langetermijngedrag van actieve materialen in bewegende en niet-bewegende situaties begrijpen en zo hun dynamiek voorspellen. Bovendien kunnen de theorie en simulaties worden gebruikt om biologische materialen te programmeren of motoren op nanoschaal te creëren om nuttig werk te verkrijgen."
Een andere eerste auteur, Philipp Suhrcke, afgestudeerd aan het MSc Computational Modeling and Simulation-programma aan de TU Dresden, voegt hieraan toe: "Dankzij ons werk kunnen wetenschappers nu bijvoorbeeld de vorm van weefsels voorspellen of wanneer biomaterialen instabiel of wanordelijk zullen worden. Dit heeft diepgaande implicaties voor het begrijpen van de mechanismen van groei en ziekte."
Krachtige code voor iedereen beschikbaar
De wetenschappers hebben hun software geïmplementeerd met behulp van de open source-bibliotheek OpenFPM, waardoor anderen er gratis gebruik van kunnen maken. OpenFPM is ontwikkeld door de Sbalzarini-groep om grootschalig wetenschappelijk computergebruik te democratiseren.
De auteurs ontwikkelden eerst een aangepaste computertaal waarmee computationele wetenschappers supercomputercode konden schrijven door vergelijkingen in wiskundige notatie te specificeren en de computer de juiste programmacode te laten creëren.
Daarom hoeven ze niet elke keer dat ze code schrijven helemaal opnieuw te beginnen, waardoor de code-ontwikkelingstijd in wetenschappelijk onderzoek effectief wordt verkort van maanden of jaren naar dagen of weken, waardoor de werkefficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd.
Vanwege de enorme rekeneisen die het bestuderen van driedimensionale actieve materialen met zich meebrengt, is de nieuwe code schaalbaar op multi-processor parallelle supercomputers met gedeeld en gedistribueerd geheugen, dankzij het gebruik van OpenFPM. Hoewel de applicatie is ontworpen om op krachtige supercomputers te draaien, kan deze ook worden uitgevoerd op gewone kantoorcomputers die worden gebruikt om 2D-materiaal te bestuderen.
Ivo Sbalzarini, hoofdonderzoeker van het onderzoek, concludeert: "We hebben tien jaar onderzoek gedaan om dit simulatieraamwerk te creëren en de productiviteit van de computationele wetenschap te verbeteren. Nu komt het allemaal samen in een hulpmiddel voor het begrijpen van het driedimensionale gedrag van levende materialen. Onze code heeft het potentieel om Sourceability, schaalbaarheid en het vermogen om met complexe situaties om te gaan nieuwe wegen te openen voor het modelleren van actieve materialen. Dit kan uiteindelijk leiden tot ons begrip van hoe cellen en weefsels worden gevormd, waardoor een fundamenteel probleem van morfogenese wordt opgelost dat voor raadsels heeft gestaan. wetenschappers al eeuwenlang, maar het kan ons ook helpen bij het ontwerpen van kunstmatige biologische machines met een minimaal aantal componenten."
Dit onderzoek werd gefinancierd door het Bundesministerium f€ur Bildung und Forschung (BMBF), het Federale Centrum voor Schaalbare Data-analyse en Kunstmatige Intelligentie (ScaDS.AI) en Dresden/Leipzig.
De computercode die de resultaten van dit onderzoek ondersteunt, is openbaar beschikbaar in de 3Dactive-hydrodynamics github-repository op https://github.com/mosaic-group/3Dactive-hydrodynamics.
Het open source-framework OpenFPM is beschikbaar op https://github.com/mosaic-group/openfpm_pdata.
Gerelateerde publicaties over embedded computertalen en OpenFPM-softwarebibliotheken:
https://doi.org/10.1016/j.cpc.2019.03.007
https://doi.org/10.1140/epje/s10189-021-00121-x