Раскрытие секретов жизни: ученые решают вековые биологические загадки с помощью теории активной материи

Биологические материалы с их сложными структурами и динамическим поведением давно привлекают внимание ученых. Теперь революционный алгоритм с открытым исходным кодом, разработанный исследователями из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка (MPI-CBG), Дрезденского центра системной биологии (CSBD) и Дрезденского университета (TU Dresden), призван произвести революцию в нашем понимании этих живых материалов. Предсказывая структуру и динамику активной материи, этот алгоритм позволяет понять, как клетки и ткани приобретают свою форму, и открывает новые возможности для проектирования искусственных биологических машин.

Под активной материей понимаются материалы, состоящие из отдельных компонентов, способных преобразовывать химическое топливо в движение. Такие материалы демонстрируют когерентные потоки, движимые постоянным потреблением энергии, что приводит к самоформированию и движению. Механика клеток и тканей может быть описана с помощью теории активной материи — научной основы, изучающей форму, потоки и форму живых материалов. Однако эта теория ставит серьезные математические задачи, требуя для решения сложных уравнений мощности суперкомпьютеров.

Для решения этих задач ученые из Дрездена разработали усовершенствованный компьютерный алгоритм, способный решать уравнения активной материи. Под руководством Иво Сбальзарини, профессора ТУ Дрездена и руководителя исследовательской группы в MPI-CBG, эта команда использовала вычислительную мощь суперкомпьютеров для понимания и анализа живых материалов. Их новаторская работа была недавно опубликована в журнале Physics of Fluids и вынесена на его обложку.

Алгоритм, разработанный дрезденской командой, обладает удивительной способностью решать сложные уравнения активной материи в трех измерениях и в пространствах сложной формы. Этот прорыв позволяет ученым исследовать поведение активной материи в различных масштабах в пространстве и во времени. Моделируя динамику активной живой материи, исследователи получают ценные сведения о сложных процессах и поведении биологических материалов.

Франк Юлихер, директор Института физики сложных систем имени Макса Планка, подчеркивает значение этого алгоритма: "Благодаря этой революционной разработке мы теперь можем решить вековую загадку о том, как клетки и ткани приобретают свою форму. Это открывает новые возможности для конструирования искусственных биологических машин и понимания фундаментальных принципов, управляющих жизнью".

Стефан Грилл, директор MPI-CBG, добавляет: "Способность предсказывать и понимать поведение активной материи имеет решающее значение для развития наших знаний о биологических процессах. Этот алгоритм представляет собой большой шаг вперед в нашем стремлении разгадать тайны живых материалов".

Разработка суперкомпьютерного алгоритма с открытым исходным кодом, способного решать уравнения теории активной материи, является важной вехой в области биологии. Предсказывая структуру и динамику живых материалов, этот алгоритм позволяет получить беспрецедентное представление о механизмах, формирующих клетки и ткани. Дальнейшие успехи в этой области позволят ученым раскрыть секреты живых материалов и проложить путь к инновационным приложениям в искусственных биологических машинах.