科学者チームは、活性物質の理論方程式を解く新しいアルゴリズムを開発し、生きた物質についての理解を深めました。この研究は生物学および計算科学の分野において極めて重要であり、細胞形態学における新たな発見と人工生物学的機械の作成への道を切り開きます。
オープンソースの高度なスーパーコンピューター アルゴリズムは、生物材料の形態とダイナミクスを予測し、空間と時間における生物材料の挙動を調査できるようにします。
生体材料は、燃料を運動に変換する小さなモーターなどの個々のコンポーネントで構成されています。このプロセスは、一定のエネルギー消費によって駆動される一貫した流れを通じて材料自体を形作ることを可能にする動きのパターンを作成します。これらの永久的に作動する物質は「活性物質」と呼ばれます。
細胞と組織の仕組みは、生物の形状、流れ、形態を理解するための科学的枠組みである活性物質理論を使用して説明できます。活性物質理論は、多くの困難な数学方程式で構成されています。
ドレスデンのマックス・プランク分子細胞生物学遺伝学研究所 (MPI-CBG)、ドレスデン システム生物学センター (CSBD)、およびドレスデン工科大学の科学者たちは、現実のシナリオにおける活性物質の理論方程式を初めて解くことを可能にするアルゴリズムを開発し、オープンソースのスーパーコンピューター コードに実装しました。これらのソリューションは、細胞や組織がどのようにその形を獲得し、人工生物学的機械を設計するかという1世紀にわたる謎の解決に大きく一歩近づくことを可能にします。
生物学的プロセスと行動は多くの場合非常に複雑です。物理理論は、物理理論を理解するための正確な定量的枠組みを提供します。活性材料理論は、化学燃料 (「食品」) を機械力に変換できる個々の成分で構成される材料である活性材料の挙動を理解し、記述するための枠組みを提供します。
ドレスデンの何人かの科学者がこの理論の発展に重要な役割を果たしました。その中には、マックス・プランク複雑系物理学研究所所長のフランク・ユーリヒャー氏や、マックス・プランク複雑系物理学研究所所長のステファン・グリル氏も含まれます。これらの物理的原理を備えた数式を使用して、活性生物の動態を記述し、予測することができます。
ただし、これらの方程式は非常に複雑で、解くのが困難です。したがって、科学者は生物物質を理解し分析するためにスーパーコンピューターの能力を必要とします。活物質の挙動を予測する方法は数多くあります。小さな個々の粒子に焦点を当てている研究者もいますし、分子レベルで活性物質を研究している研究者もいますし、大規模な活性流体を研究している研究者もいます。これらの研究は、科学者がさまざまな空間スケールや時間スケールで活性物質がどのように動作するかを理解するのに役立ちます。
複雑な数学方程式を解く
ドレスデン工科大学ドレスデンシステム生物学センター（CSBD）の教授、マックス・プランク分子細胞生物学遺伝学研究所（MPI-CBG）の研究グループリーダー、ドレスデン工科大学コンピューターサイエンス学部長のイーヴォ・スバルザリーニ氏の研究グループの科学者たちは、移動する物質の方程式を解くことができるコンピューターアルゴリズムを開発した。
彼らの研究結果はジャーナル「Physics of Fluids」に掲載され、表紙を飾りました。彼らが提案したアルゴリズムは、3 次元の複雑な形状の空間で移動する物質の複雑な方程式を解くことができます。
「私たちの方法は、三次元空間で時間の経過とともに変化するさまざまな形状を処理できます」と、この研究の最初の著者の一人である数学者のアビナブ・シン氏は述べた。 「私たちのアルゴリズムは、データ ポイントが規則的に分布していない場合でも、複雑な形状をシームレスに処理できる新しい数値的アプローチを使用しています。」生物学的に現実的なシナリオ、理論方程式を正確に解きます。私たちの方法を使用すると、移動状況と非移動状況における活性物質の長期的な挙動を最終的に理解し、そのダイナミクスを予測することができます。さらに、理論とシミュレーションを使用して、生物学的材料をプログラムしたり、有用な仕事を抽出するためのナノスケールでのエンジンを作成したりすることができます。」
もう一人の筆頭著者で、ドレスデン工科大学の計算モデリングおよびシミュレーションプログラム修士課程を卒業したフィリップ・ズールケ氏は、「私たちの研究のおかげで、科学者たちは現在、例えば組織の形状や、生体材料がいつ不安定になったり無秩序になったりするかを予測できるようになりました。これは、成長や病気のメカニズムを理解する上で深い意味を持ちます。」と付け加えています。
誰でも利用できる強力なコード
科学者たちはオープンソース ライブラリ OpenFPM を使用してソフトウェアを実装しました。つまり、他の人も無料で使用できます。 OpenFPM は、大規模な科学技術コンピューティングを民主化するために Sbalzarini グループによって開発されました。
著者らはまず、計算科学者が数学的表記法で方程式を指定することでスーパーコンピューターのコードを記述し、コンピューターが正しいプログラム コードを作成できるようにするカスタム コンピューター言語を開発しました。
したがって、コードを書くたびに最初から始める必要がなくなり、科学研究におけるコード開発時間が数か月、数年から数日、数週間に効果的に短縮され、作業効率が大幅に向上します。
三次元活性材料の研究には膨大な計算量が必要となるため、OpenFPM を使用することで、新しいコードは共有メモリおよび分散メモリのマルチプロセッサ並列スーパーコンピュータ上で拡張可能です。このアプリケーションは強力なスーパーコンピューターで実行するように設計されていますが、2D マテリアルの学習に使用される通常のオフィス コンピューターでも実行できます。
この研究の主任研究員であるIvo Sbalzarini氏は、次のように結論付けている。「私たちは、このシミュレーションフレームワークを作成し、計算科学の生産性を向上させるために10年間の研究を費やしてきました。今では、それらすべてが生体材料の三次元挙動を理解するためのツールに統合されています。私たちのコードには、調達可能性、スケーラビリティ、および複雑な状況を処理する能力の可能性があり、活性材料をモデル化するための新たな道が開かれます。これは最終的に、細胞や組織がどのように形成されるかの理解につながり、根本的な問題を解決する可能性があります。」形態形成は何世紀にもわたって科学者を悩ませてきたが、最小限のコンポーネントで人工生物学的機械を設計するのにも役立つかもしれない。」
この研究は、連邦政府建設省 (BMBF)、スケーラブル データ分析および人工知能連邦センター (ScaDS.AI)、およびドレスデン/ライプツィヒから資金提供を受けました。
この研究の結果をサポートするコンピューター コードは、3Dactive-hydrodynamics github リポジトリ (https://github.com/mosaic-group/3Dactive-hydrodynamics) で公開されています。
オープン ソース フレームワーク OpenFPM は、https://github.com/mosaic-group/openfpm_pdata で入手できます。
組み込みコンピュータ言語および OpenFPM ソフトウェア ライブラリに関する関連出版物:
https://doi.org/10.1016/j.cpc.2019.03.007
https://doi.org/10.1140/epje/s10189-021-00121-x