三维组织和细胞力学的新计算机代码

　　

生物材料由单个部件组成，包括将燃料转化为运动的微型马达。这创造了运动的模式，并且材料通过不断消耗能量来形成连贯的流动。这种连续驱动的物质被称为“活性物质”。细胞和组织的机制可以用活性物质理论来描述，活性物质理论是一种理解生命物质的形状、流动和形式的科学框架。活性物质理论由许多具有挑战性的数学方程组成。来自德累斯顿马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI-CBG)，德累斯顿系统生物学中心(CSBD)和德累斯顿工业大学的科学家们现在已经开发出一种算法，用开源超级计算机代码实现，可以首次在现实场景中解决活性物质理论方程。这些解决方案使我们离解决细胞和组织如何形成形状以及设计人工生物机器的世纪之谜又近了一大步。

生物过程和行为往往非常复杂。物理理论为理解它们提供了精确和定量的框架。活性物质理论为理解和描述活性物质的行为提供了一个框架，活性物质是由能够将化学燃料(“食物”)转化为机械力的单个成分组成的物质。来自德累斯顿的几位科学家是发展这一理论的关键，其中包括马克斯·普朗克复杂系统物理研究所所长弗兰克·j<e:1>利切尔和MPI-CBG主任斯蒂芬·格里尔。有了这些物理原理，活性生物的动力学可以用数学方程来描述和预测。然而，这些方程极其复杂，难以求解。因此，科学家们需要超级计算机的力量来理解和分析生命物质。有不同的方法来预测活性物质的行为，一些专注于微小的单个颗粒，另一些在分子水平上研究活性物质，还有一些在大范围内研究活性流体。这些研究帮助科学家了解活性物质在空间和时间的不同尺度上的行为。

德累斯顿工业大学德累斯顿系统生物学中心(CSBD)教授、马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI-CBG)研究小组组长、德累斯顿工业大学计算机科学学院院长Ivo Sbalzarini研究小组的科学家们现在已经开发出一种计算机算法来求解活性物质方程。他们的研究成果发表在《流体物理学》杂志上，并登上了封面。他们提出了一种算法，可以解决三维和复杂形状空间中活性物质的复杂方程。“随着时间的推移，我们的方法可以处理三维的不同形状，”该研究的第一作者之一、资深数学家阿比纳夫·辛格(Abhinav Singh)说。他继续说，“即使数据点不是规律分布的，我们的算法也采用了一种新颖的数值方法，可以无缝地处理复杂的生物学现实情况，以准确地解决理论方程。利用我们的方法，我们最终可以了解活性材料在运动和非运动情况下的长期行为，从而预测它们的动力学。此外，理论和模拟可用于编程生物材料或创建纳米级发动机，以提取有用的工作。”另一位第一作者Philipp Suhrcke毕业于德累斯顿工业大学的计算建模与仿真硕士课程，他补充说:“由于我们的工作，科学家现在可以预测组织的形状，或者生物材料何时会变得不稳定或失调，这对理解生长和疾病的机制具有深远的意义。”

科学家们使用开源库OpenFPM实现了他们的软件，这意味着它可以免费供其他人使用。OpenFPM是由Sbalzarini小组为大规模科学计算的民主化而开发的。作者首先开发了一种定制的计算机语言，允许计算科学家通过指定数学符号的方程式来编写超级计算机代码，并让计算机完成工作来创建正确的程序代码。因此，他们不必每次编写代码都从头开始，有效地减少了科学研究中的代码开发时间，从几个月或几年减少到几天或几周，提供了巨大的生产力收益。由于研究三维活性材料的巨大计算需求，由于使用了OpenFPM，新代码可以在共享和分布式内存的多处理器并行超级计算机上进行扩展。虽然该应用程序是为在强大的超级计算机上运行而设计的，但它也可以在普通的办公计算机上运行，用于研究二维材料。

该研究的首席研究员Ivo Sbalzarini总结道:“我们花了十年的时间来研究创建这个模拟框架并提高计算科学的生产力。现在，所有这些都汇集在一个工具中，用于理解生物材料的三维行为。开源，可扩展，能够处理复杂的场景，我们的代码为建模活性材料开辟了新的途径。这可能最终引导我们了解细胞和组织是如何形成形状的，从而解决困扰科学家几个世纪的形态发生的基本问题。但它也可能帮助我们设计出具有最少组件数量的人工生物机器。”

支持本研究结果的计算机代码可以在位于https://github.com/mosaic-group/3Dactive-hydrodynamics的3Dactive-hydrodynamics github存储库中公开获得

开源框架OpenFPM可从https://github.com/mosaic-group/openfpm_pdata获得

A numerical solver for active hydrodynamics in three dimensions and its application to active turbulence