قام فريق من العلماء بتطوير خوارزمية جديدة لحل المعادلات النظرية للمادة النشطة، وتعميق فهمنا للمواد الحية. يعد هذا العمل محوريًا في مجالات العلوم البيولوجية والحسابية، مما يمهد الطريق لاكتشافات جديدة في مورفولوجيا الخلية وإنشاء آلات بيولوجية اصطناعية.
تتنبأ خوارزمية الكمبيوتر العملاق المتقدمة مفتوحة المصدر بتشكل وديناميكيات المواد البيولوجية، مما يسمح لها باستكشاف سلوكها في المكان والزمان.
تتكون المواد الحيوية من مكونات فردية، بما في ذلك المحركات الصغيرة التي تحول الوقود إلى حركة. تخلق هذه العملية أنماطًا من الحركة تسمح للمادة بتشكيل نفسها من خلال تدفق متماسك، مدفوعًا باستهلاك الطاقة المستمر. وتسمى هذه المواد التي يتم تشغيلها بشكل دائم "المواد الفعالة".
يمكن وصف آليات الخلايا والأنسجة باستخدام نظرية المادة النشطة، وهي إطار علمي لفهم شكل المادة الحية وتدفقها وشكلها. تتكون نظرية المادة النشطة من العديد من المعادلات الرياضية الصعبة.
قام علماء من معهد ماكس بلانك لبيولوجيا الخلايا الجزيئية وعلم الوراثة في دريسدن (MPI-CBG)، ومركز بيولوجيا الأنظمة في دريسدن (CSBD) وجامعة TU Dresden بتطوير خوارزمية وتنفيذها في كود حاسوبي فائق مفتوح المصدر يسمح لأول مرة بحل المعادلات النظرية للمادة النشطة في سيناريوهات الحياة الواقعية. تقربنا هذه الحلول خطوة عملاقة من حل اللغز القديم حول كيفية اكتساب الخلايا والأنسجة لشكلها وتصميم الآلات البيولوجية الاصطناعية.
العمليات والسلوكيات البيولوجية غالبا ما تكون معقدة للغاية. توفر النظريات الفيزيائية إطارًا كميًا دقيقًا لفهمها. توفر نظرية المادة الفعالة إطارًا لفهم ووصف سلوك المواد النشطة، وهي مواد مكونة من مكونات فردية قادرة على تحويل الوقود الكيميائي ("الغذاء") إلى قوة ميكانيكية.
ولعب العديد من العلماء في دريسدن دورًا رئيسيًا في تطوير هذه النظرية، ومن بينهم فرانك جوليشر، مدير معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة، وستيفان جريل، مدير معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة. وبالتسلح بهذه المبادئ الفيزيائية، يمكن استخدام المعادلات الرياضية لوصف والتنبؤ بديناميكيات المادة الحية النشطة.
ومع ذلك، فإن هذه المعادلات معقدة للغاية ويصعب حلها. ولذلك، يحتاج العلماء إلى قوة أجهزة الكمبيوتر العملاقة لفهم وتحليل المادة الحية. هناك العديد من الطرق للتنبؤ بسلوك المواد النشطة. يركز البعض على الجزيئات الفردية الصغيرة، ويدرس البعض الآخر المواد النشطة على المستوى الجزيئي، والبعض الآخر يدرس السوائل النشطة واسعة النطاق. تساعد هذه الدراسات العلماء على فهم كيفية تصرف المواد الفعالة على نطاقات مكانية وزمنية مختلفة.
حل المعادلات الرياضية المعقدة
قام علماء من المجموعة البحثية لإيفو سبالزاريني، الأستاذ في مركز بيولوجيا الأنظمة في دريسدن (CSBD) في جامعة TU Dresden، ورئيس مجموعة البحث في معهد Max-Planck لبيولوجيا الخلايا الجزيئية وعلم الوراثة (MPI-CBG) ومدير كلية علوم الكمبيوتر في TU Dresden، بتطوير خوارزمية حاسوبية يمكنها حل معادلات المادة المتحركة.
نُشرت نتائج أبحاثهم في مجلة فيزياء السوائل وظهرت على الغلاف. يمكن للخوارزمية التي اقترحوها أن تحل المعادلات المعقدة للمادة المتحركة في مساحات ثلاثية الأبعاد ومعقدة الشكل.
وقال عالم الرياضيات أبهيناف سينغ، أحد المؤلفين الأوائل للدراسة: "يمكن لطريقتنا التعامل مع الأشكال المختلفة التي تتغير بمرور الوقت في الفضاء ثلاثي الأبعاد". "تستخدم خوارزميتنا نهجًا رقميًا جديدًا يمكنه التعامل مع الأشكال المعقدة بسلاسة، حتى لو لم يتم توزيع نقاط البيانات بانتظام." سيناريوهات واقعية بيولوجيا، وحل المعادلات النظرية بدقة. وباستخدام طريقتنا، يمكننا أخيرًا فهم السلوك طويل المدى للمواد النشطة في المواقف المتحركة وغير المتحركة، وبالتالي التنبؤ بديناميكياتها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام النظرية وعمليات المحاكاة لبرمجة المواد البيولوجية أو إنشاء محركات على المستوى النانوي لاستخلاص عمل مفيد."
يضيف مؤلف أول آخر، فيليب سوهرك، خريج برنامج الماجستير في النمذجة والمحاكاة الحسابية في جامعة TU Dresden: "بفضل عملنا، يمكن للعلماء الآن التنبؤ، على سبيل المثال، بشكل الأنسجة أو عندما تصبح المواد الحيوية غير مستقرة أو مضطربة. وهذا له آثار عميقة على فهم آليات النمو والمرض".
كود قوي متاح للجميع
قام العلماء بتنفيذ برامجهم باستخدام مكتبة مفتوحة المصدر OpenFPM، مما يعني أنه يمكن للآخرين استخدامها مجانًا. تم تطوير OpenFPM من قبل مجموعة Sbalzarini لإضفاء الطابع الديمقراطي على الحوسبة العلمية على نطاق واسع.
作者首先开发了一种自定义计算机语言，允许计算科学家通过用数学符号指定方程来编写超级计算机代码，并让计算机来创建正确的程序代码。
لذلك، لا يتعين عليهم البدء من الصفر في كل مرة يكتبون فيها التعليمات البرمجية، مما يقلل بشكل فعال وقت تطوير التعليمات البرمجية في البحث العلمي من أشهر أو سنوات إلى أيام أو أسابيع، مما يحسن كفاءة العمل بشكل كبير.
نظرًا للمتطلبات الحسابية الضخمة لدراسة المواد النشطة ثلاثية الأبعاد، فإن الكود الجديد قابل للتطوير على أجهزة الكمبيوتر العملاقة المتوازية متعددة المعالجات ذات الذاكرة المشتركة والموزعة، وذلك بفضل استخدام OpenFPM. على الرغم من أن التطبيق مصمم للعمل على أجهزة الكمبيوتر العملاقة القوية، إلا أنه يمكن تشغيله أيضًا على أجهزة الكمبيوتر المكتبية العادية المستخدمة لدراسة المواد ثنائية الأبعاد.
ويخلص إيفو سبالزاريني، الباحث الرئيسي في الدراسة، إلى: "لقد أمضينا عشر سنوات من البحث لإنشاء إطار المحاكاة هذا وتحسين إنتاجية العلوم الحسابية. والآن يأتي كل ذلك معًا في أداة لفهم السلوك ثلاثي الأبعاد للمواد الحية. يتمتع الكود الخاص بنا بالقدرة على إمكانية المصدر وقابلية التوسع والقدرة على التعامل مع المواقف المعقدة، مما يفتح آفاقًا جديدة لنمذجة المواد النشطة. قد يؤدي هذا في النهاية إلى فهمنا لكيفية تكوين الخلايا والأنسجة، مما يحل مشكلة التشكل الأساسية. الأمر الذي حير العلماء لعدة قرون، ولكنه قد يساعدنا أيضًا في تصميم آلات بيولوجية صناعية بأقل عدد من المكونات.
تم تمويل هذا البحث من قبل Bundesministerium f€ur Bildung und Forschung (BMBF)، والمركز الفيدرالي لتحليل البيانات القابلة للتطوير والذكاء الاصطناعي (ScaDS.AI) ودريسدن/لايبزيغ.
كود الكمبيوتر الذي يدعم نتائج هذه الدراسة متاح للجمهور في مستودع جيثب 3Dactive-hydrodynamics على https://github.com/mosaic-group/3Dactive-hydrodynamics.
إطار العمل مفتوح المصدر OpenFPM متاح على https://github.com/mosaic-group/openfpm_pdata.
المنشورات ذات الصلة بلغات الكمبيوتر المدمجة ومكتبات برامج OpenFPM:
https://doi.org/10.1016/j.cpc.2019.03.007
https://doi.org/10.1140/epje/s10189-021-00121-x