Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik, des Zentrums für Systembiologie Dresden und der TU Dresden haben einen Algorithmus entwickelt, der die Gleichungen der aktiven Materietheorie in realistischen Szenarien lösen kann. Aktive Materie bezeichnet Materialien, die aus winzigen Komponenten bestehen und chemische Energie in Bewegung umwandeln, um kohärente Strömungen zu erzeugen und das Material selbst durch den Energieverbrauch zu formen. Die aktive Materietheorie bietet einen wissenschaftlichen Rahmen, um das Verhalten lebender Materialien in Bezug auf Form und Fluss zu verstehen. Die dazu erforderlichen mathematischen Gleichungen sind allerdings komplex und schwer zu lösen, weshalb der Einsatz von Supercomputern notwendig ist. Der von den Wissenschaftlern entwickelte Algorithmus kann diese Gleichungen in drei Dimensionen und komplexen Formräumen lösen und ermöglicht so ein besseres Verständnis des Verhaltens aktiver Materie im Laufe der Zeit. Der Code basiert auf der Open-Source-Bibliothek OpenFPM und steht anderen Forschern frei zur Verfügung. Damit können beispielsweise die Form von Geweben vorhergesagt, die Mechanismen von Wachstum und Krankheit untersucht und potenziell künstliche biologische Maschinen entworfen werden. Der Code ist skalierbar und kann sowohl auf leistungsstarken Supercomputern als auch auf normalen Bürocomputern ausgeführt werden. Die Forscher sind der Meinung, dass ihre Arbeit uns näher bringt, zu verstehen, wie Zellen und Gewebe ihre Form erreichen, und erhebliche Auswirkungen auf das Gebiet der Morphogenese und den Entwurf biologischer Maschinen hat. Der den Ergebnissen zugrunde liegende Code ist auf GitHub frei verfügbar.
Einführung
Aktive Materie bezieht sich auf Materialien, die aus winzigen Komponenten bestehen, die chemische Energie in Bewegung umwandeln und durch den Verbrauch von Energie zusammenhängende Strömungen erzeugen und das Material selbst formen. Die Theorie der aktiven Materie bietet einen wissenschaftlichen Rahmen, um das Verhalten lebender Materialien in Bezug auf Form, Gestalt und Strömungen zu verstehen. Die mathematischen Gleichungen, die dabei eine Rolle spielen, sind jedoch komplex und schwierig zu lösen, wodurch der Einsatz von Supercomputern erforderlich ist.
Entwicklung des Algorithmus
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik, des Zentrums für Systembiologie Dresden und der TU Dresden haben einen Algorithmus entwickelt, der die Gleichungen der Theorie aktiver Materie in realistischen Szenarien lösen kann. Der Algorithmus hat die Fähigkeit, diese Gleichungen in drei Dimensionen und komplexen Räumen zu lösen und ermöglicht so ein besseres Verständnis des Verhaltens aktiver Materialien im Laufe der Zeit.
Der Code wurde unter Verwendung der Open-Source-Bibliothek OpenFPM entwickelt und steht anderen Forschern kostenlos zur Verfügung. Er kann verwendet werden, um die Form von Geweben zu untersuchen, Mechanismen des Wachstums und von Krankheiten vorherzusagen und möglicherweise künstliche biologische Maschinen zu entwerfen. Der Code ist skalierbar und kann auf leistungsstarken Supercomputern sowie auf normalen Bürocomputern ausgeführt werden.
Auswirkungen und Anwendungen
Die Entwicklung dieses Algorithmus hat bedeutende Auswirkungen auf das Gebiet der Morphogenese und des Entwurfs biologischer Maschinen. Durch die Möglichkeit, die Gleichungen der Theorie aktiver Materie in realistischen Szenarien zu lösen, können Forscher nun besser verstehen, wie Zellen und Gewebe ihre Form erreichen. Dieses neue Wissen kann zu Fortschritten in Bereichen wie der Gewebezüchtung und der regenerativen Medizin führen.
Darüber hinaus kann die genaue Vorhersage des Verhaltens aktiver Materialien auch bei der Konstruktion künstlicher biologischer Maschinen helfen. Durch das Verständnis, wie sich diese Materialien fließend bewegen und formen, können Forscher potenziell effizientere und anpassungsfähigere Maschinen entwickeln, die das Verhalten lebender Organismen nachahmen.
Schlussfolgerung
Der Algorithmus, der von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik, des Zentrums für Systembiologie Dresden und der TU Dresden entwickelt wurde, bringt uns einen Schritt näher dazu, aktive Materie und ihr Verhalten in realistischen Szenarien zu verstehen. Durch die Lösung der komplexen Gleichungen, die in der Theorie aktiver Materie eine Rolle spielen, können Forscher nun Erkenntnisse über die Form, Gestalt und Strömungen lebender Materialien gewinnen, mit möglichen Anwendungen in Bereichen wie der Gewebezüchtung und dem Entwurf biologischer Maschinen.
