Биологические материалы состоят из отдельных компонентов, в том числе крошечных моторов, которые преобразуют топливо в движение. Это создает паттерны движения, и материал формирует себя когерентными потоками за счет постоянного потребления энергии. Такие непрерывно приводимые в движение материалы называются активным веществом.
Механика клеток и тканей может быть описана теорией активной материи, научной основой для понимания формы, течения и формы живых материалов. Теория активной материи состоит из множества сложных математических уравнений.
Ученые из Института молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка в Дрездене, Центра системной биологии Дрездена и Технического университета Дрездена разработали алгоритм, реализованный в суперкомпьютерном коде с открытым исходным кодом, который впервые может решать уравнения теории активной материи в реалистичных сценариях.
Эти решения приближают нас к разгадке вековой загадки о том, как клетки и ткани приобретают свою форму, и к разработке искусственных биологических машин.
Биологические процессы и поведение часто очень сложны. Физические теории обеспечивают точную и количественную основу для их понимания. Теория активной материи предлагает основу для понимания и описания поведения активной материи — материалов, состоящих из отдельных компонентов, способных превращать химическое топливо («пищу») в механические силы.
Несколько ученых из Дрездена сыграли ключевую роль в разработке этой теории, в том числе Франк Юлихер, директор Института физики сложных систем Макса Планка, и Штефан Грилл, директор MPI-CBG.
С помощью этих принципов физики динамика активной живой материи может быть описана и предсказана математическими уравнениями. Однако эти уравнения чрезвычайно сложны и трудноразрешимы. Поэтому ученым требуются мощности суперкомпьютеров для постижения и анализа живых материалов.
Существуют различные способы предсказания поведения активной материи: одни фокусируются на крошечных отдельных частицах, другие изучают активную материю на молекулярном уровне, а третьи изучают активные жидкости в больших масштабах. Эти исследования помогают ученым увидеть, как активная материя ведет себя в разных масштабах в пространстве и во времени.
Решение сложных математических уравнений
Ученые из исследовательской группы Иво Сбальзарини, профессора Дрезденского технического университета в Центре системной биологии Дрездена, руководителя исследовательской группы Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка и декана факультета компьютерных наук Технического университета Дрездена, разработали компьютерный алгоритм для решения уравнений активной материи. Они представляют собой алгоритм, который может решать сложные уравнения активной материи в трех измерениях и в пространствах сложной формы.
«Наш подход может работать с различными формами в трех измерениях с течением времени», — говорит один из первых авторов исследования, Абхинав Сингх, математик.
«Даже когда точки данных не распределяются регулярно, наш алгоритм использует новый численный подход, который безупречно работает для сложных биологически реалистичных сценариев для точного решения уравнений теории. Используя наш подход, мы можем, наконец, понять долгосрочное поведение активных материалов как в движущихся, так и в неподвижных сценариях для прогнозирования их динамики. Кроме того, теория и моделирование могут быть использованы для программирования биологических материалов или создания двигателей на наноуровне для извлечения полезной работы».
Другой первый автор, Филипп Зурке, выпускник программы вычислительного моделирования и симуляции M.Sc Технического университета Дрездена, говорит: «Благодаря нашей работе ученые теперь могут, например, предсказывать форму ткани или то, когда биологический материал станет нестабильным или нерегулируемым, что имеет далеко идущие последствия для понимания механизмов роста и заболеваний».
Мощный код, который может использовать каждый
Ученые реализовали свое программное обеспечение с помощью библиотеки OpenFPM с открытым исходным кодом, что означает, что она находится в свободном доступе для использования другими пользователями. OpenFPM разработан группой Сбальзарини для демократизации крупномасштабных научных вычислений.
Сначала авторы разработали специальный компьютерный язык, который позволяет ученым-вычислителям писать суперкомпьютерные коды, задавая уравнения в математической нотации, и позволять компьютеру выполнять работу по созданию правильного программного кода. В результате им не нужно начинать с нуля каждый раз, когда они пишут код, эффективно сокращая время разработки кода в научных исследованиях с месяцев или лет до дней или недель, обеспечивая огромный прирост производительности.
Из-за огромных вычислительных требований к изучению трехмерных активных материалов, новый код масштабируем на многопроцессорных параллельных суперкомпьютерах с общей и распределенной памятью благодаря использованию OpenFPM. Несмотря на то, что приложение предназначено для работы на мощных суперкомпьютерах, оно также может работать на обычных офисных компьютерах для изучения двумерных материалов.
Главный исследователь Иво Сбальзарини (Ivo Sbalzarini) говорит: «Десять лет наших исследований ушло на создание этой среды моделирования и повышение производительности вычислительной науки. Теперь все это собрано воедино в инструменте для понимания трехмерного поведения живых материалов».
«Наш код с открытым исходным кодом, масштабируемый и способный обрабатывать сложные сценарии, открывает новые возможности для моделирования активных материалов. Это может, наконец, привести нас к пониманию того, как клетки и ткани приобретают свою форму, обращаясь к фундаментальному вопросу морфогенеза, который озадачивал ученых на протяжении веков. Но это также может помочь нам спроектировать искусственные биологические машины с минимальным количеством компонентов».
