I materiali biologici sono costituiti da singoli componenti, inclusi minuscoli motori che convertono il carburante in movimento. Questo crea modelli di movimento e il materiale si modella con flussi coerenti attraverso il costante consumo di energia. Tali materiali continuamente guidati sono chiamati “materia attiva”. La meccanica delle cellule e dei tessuti può essere descritta dalla teoria della materia attiva, un quadro scientifico per comprendere la forma, i flussi e la forma dei materiali viventi. La teoria della materia attiva è costituita da molte equazioni matematiche impegnative.
Gli scienziati dell’Istituto Max Planck di biologia cellulare e genetica molecolare (MPI-CBG) di Dresda, del Centro di biologia dei sistemi di Dresda (CSBD) e della TU di Dresda hanno ora sviluppato un algoritmo, implementato in un codice di supercomputer open source, che può per la prima volta risolvere le equazioni della teoria della materia attiva in scenari realistici. Queste soluzioni ci portano un grande passo avanti verso la soluzione del secolare enigma su come le cellule e i tessuti raggiungono la loro forma e verso la progettazione di macchine biologiche artificiali.
I processi e i comportamenti biologici sono spesso molto complessi. Le teorie fisiche forniscono un quadro preciso e quantitativo per comprenderle. La teoria della materia attiva offre un quadro per comprendere e descrivere il comportamento della materia attiva, materiali composti da singoli componenti in grado di convertire un combustibile chimico (“cibo”) in forze meccaniche. Diversi scienziati di Dresda hanno contribuito allo sviluppo di questa teoria, tra gli altri Frank Jülicher, direttore dell’Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi, e Stephan Grill, direttore dell’MPI-CBG. Con questi principi della fisica, la dinamica della materia vivente attiva può essere descritta e prevista mediante equazioni matematiche. Tuttavia, queste equazioni sono estremamente complesse e difficili da risolvere. Pertanto, gli scienziati hanno bisogno della potenza dei supercomputer per comprendere e analizzare i materiali viventi. Esistono diversi modi per prevedere il comportamento della materia attiva, alcuni si concentrano sulle minuscole particelle individuali, altri studiano la materia attiva a livello molecolare e altri ancora studiano i fluidi attivi su larga scala. Questi studi aiutano gli scienziati a vedere come si comporta la materia attiva su scale diverse nello spazio e nel tempo.
Risoluzione di equazioni matematiche complesse
Scienziati del gruppo di ricerca Ivo Sbalzarini, professore della TU Dresden al Centro di biologia dei sistemi di Dresda (CSBD), leader del gruppo di ricerca presso l’Istituto Max Planck di biologia cellulare e genetica molecolare (MPI-CBG) e preside della Facoltà di informatica Science alla TU Dresden, hanno ora sviluppato un algoritmo informatico per risolvere le equazioni della materia attiva. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista “Fisica dei fluidi” ed è apparso sulla copertina. Presentano un algoritmo in grado di risolvere le complesse equazioni della materia attiva in tre dimensioni e in spazi di forma complessa. “Il nostro approccio può gestire forme diverse in tre dimensioni nel tempo”, afferma uno dei primi autori dello studio, Abhinav Singh, un matematico studiato. E continua: “Anche quando i punti dati non sono distribuiti regolarmente, il nostro algoritmo impiega un nuovo approccio numerico che funziona perfettamente per scenari biologicamente realistici complessi per risolvere accuratamente le equazioni della teoria. Usando il nostro approccio, possiamo finalmente comprendere il comportamento a lungo termine di materiali attivi in scenari sia in movimento che non in movimento per prevederne la dinamica. Inoltre, la teoria e le simulazioni potrebbero essere utilizzate per programmare materiali biologici o creare motori su scala nanometrica per estrarre lavoro utile.” L’altro primo autore, Philipp Suhrcke, laureato al M.Sc. di Modellazione e Simulazione Computazionale della TU Dresden. programma, aggiunge, “grazie al nostro lavoro, gli scienziati ora possono, ad esempio, prevedere la forma di un tessuto o quando un materiale biologico diventerà instabile o disregolato, con implicazioni di vasta portata nella comprensione dei meccanismi di crescita e malattia. “
Un codice potente che tutti possono usare
Gli scienziati hanno implementato il loro software utilizzando la libreria open source OpenFPM, il che significa che è liberamente disponibile per l’utilizzo da parte di altri. OpenFPM è sviluppato dal gruppo Sbalzarini per democratizzare il calcolo scientifico su larga scala. Gli autori hanno innanzitutto sviluppato un linguaggio informatico personalizzato che consente agli scienziati computazionali di scrivere codici di supercomputer specificando le equazioni in notazione matematica e lasciare che sia il computer a fare il lavoro per creare un codice di programma corretto. Di conseguenza, non devono ricominciare da capo ogni volta che scrivono un codice, riducendo di fatto i tempi di sviluppo del codice nella ricerca scientifica da mesi o anni a giorni o settimane, garantendo enormi guadagni di produttività. A causa delle enormi esigenze computazionali legate allo studio dei materiali attivi tridimensionali, il nuovo codice è scalabile su supercomputer paralleli multiprocessore a memoria condivisa e distribuita, grazie all’uso di OpenFPM. Sebbene l’applicazione sia progettata per funzionare su potenti supercomputer, può essere eseguita anche su normali computer da ufficio per lo studio di materiali bidimensionali.
Il ricercatore principale dello studio, Ivo Sbalzarini, riassume: “Dieci anni della nostra ricerca sono stati dedicati alla creazione di questo quadro di simulazione e al miglioramento della produttività della scienza computazionale. Tutto questo ora confluisce in uno strumento per comprendere il comportamento tridimensionale dei materiali viventi”. Open source, scalabile e in grado di gestire scenari complessi, il nostro codice apre nuove strade per la modellazione di materiali attivi. Questo potrebbe finalmente portarci a comprendere come le cellule e i tessuti raggiungono la loro forma, affrontando la questione fondamentale della morfogenesi che ha sconcertato gli scienziati per secoli. Ma potrebbe anche aiutarci a progettare macchine biologiche artificiali con un numero minimo di componenti.”
Il codice informatico che supporta i risultati di questo studio è apertamente disponibile nel repository github 3Dactive-idrodinamica situato all’indirizzo https://github.com/mosaic-group/3Dactive-idrodinamica
Il framework open source OpenFPM è disponibile su https://github.com/mosaic-group/openfpm_pdata
Pubblicazioni correlate per il linguaggio informatico integrato e la libreria software OpenFPM: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2019.03.007 E https://doi.org/10.1140/epje/s10189-021-00121-x
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