Les matériaux biologiques sont constitués de composants individuels, notamment de minuscules moteurs qui convertissent le carburant en mouvement. Cela crée des schémas de mouvement et le matériau se façonne avec des flux cohérents par une consommation constante d’énergie. De tels matériaux entraînés en continu sont appelés « matière active ». La mécanique des cellules et des tissus peut être décrite par la théorie de la matière active, un cadre scientifique permettant de comprendre la forme, les flux et la forme des matériaux vivants. La théorie de la matière active se compose de nombreuses équations mathématiques difficiles.
Des scientifiques de l’Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG) de Dresde, du Centre de biologie des systèmes de Dresde (CSBD) et de la TU Dresden ont développé un algorithme, implémenté dans un code de superordinateur open source, qui peut pour la première fois résoudre les équations de la théorie de la matière active dans des scénarios réalistes. Ces solutions nous rapprochent grandement de la résolution de l’énigme centenaire de la façon dont les cellules et les tissus prennent leur forme et de la conception de machines biologiques artificielles.
Les processus et comportements biologiques sont souvent très complexes. Les théories physiques fournissent un cadre précis et quantitatif pour les comprendre. La théorie de la matière active offre un cadre pour comprendre et décrire le comportement de la matière active, des matériaux composés de composants individuels capables de convertir un carburant chimique (« nourriture ») en forces mécaniques. Plusieurs scientifiques de Dresde ont joué un rôle clé dans le développement de cette théorie, notamment Frank Jülicher, directeur de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes, et Stephan Grill, directeur du MPI-CBG. Grâce à ces principes de physique, la dynamique de la matière vivante active peut être décrite et prédite par des équations mathématiques. Cependant, ces équations sont extrêmement complexes et difficiles à résoudre. Les scientifiques ont donc besoin de la puissance des superordinateurs pour comprendre et analyser les matériaux vivants. Il existe différentes manières de prédire le comportement de la matière active, certaines se concentrant sur les minuscules particules individuelles, d’autres étudiant la matière active au niveau moléculaire et d’autres encore étudiant les fluides actifs à grande échelle. Ces études aident les scientifiques à comprendre comment la matière active se comporte à différentes échelles dans l’espace et dans le temps.
Résoudre des équations mathématiques complexes
Scientifiques du groupe de recherche d’Ivo Sbalzarini, professeur à la TU Dresden au Centre de biologie des systèmes de Dresde (CSBD), chef de groupe de recherche à l’Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG) et doyen de la Faculté d’informatique La science de la TU Dresden a maintenant développé un algorithme informatique pour résoudre les équations de la matière active. Leurs travaux ont été publiés dans la revue « Physique des Fluides » et figurait sur la couverture. Ils présentent un algorithme capable de résoudre les équations complexes de la matière active en trois dimensions et dans des espaces de forme complexe. « Notre approche peut gérer différentes formes en trois dimensions au fil du temps », explique l’un des premiers auteurs de l’étude, Abhinav Singh, un mathématicien étudié. Il poursuit : « Même lorsque les points de données ne sont pas régulièrement distribués, notre algorithme utilise une nouvelle approche numérique qui fonctionne de manière transparente pour des scénarios biologiques complexes et réalistes afin de résoudre avec précision les équations de la théorie. Grâce à notre approche, nous pouvons enfin comprendre le comportement à long terme de » L’autre premier auteur, Philipp Suhrcke, diplômé de la maîtrise en modélisation et simulation computationnelles de la TU Dresden. « Grâce à nos travaux, les scientifiques peuvent désormais, par exemple, prédire la forme d’un tissu ou le moment où un matériau biologique va devenir instable ou dérégulé, avec des implications considérables dans la compréhension des mécanismes de croissance et de maladie », ajoute le programme. «
Un code puissant que tout le monde peut utiliser
Les scientifiques ont implémenté leur logiciel à l’aide de la bibliothèque open source OpenFPM, ce qui signifie qu’il est librement accessible à d’autres. OpenFPM est développé par le groupe Sbalzarini pour démocratiser le calcul scientifique à grande échelle. Les auteurs ont d’abord développé un langage informatique personnalisé qui permet aux informaticiens d’écrire des codes de superordinateur en spécifiant les équations en notation mathématique et de laisser l’ordinateur faire le travail pour créer un code de programme correct. En conséquence, ils n’ont pas besoin de repartir de zéro à chaque fois qu’ils écrivent un code, ce qui réduit efficacement les temps de développement de code dans la recherche scientifique de plusieurs mois ou années à quelques jours ou semaines, offrant ainsi d’énormes gains de productivité. En raison des énormes exigences informatiques liées à l’étude des matériaux actifs tridimensionnels, le nouveau code est évolutif sur des supercalculateurs parallèles multiprocesseurs à mémoire partagée et distribuée, grâce à l’utilisation d’OpenFPM. Bien que l’application soit conçue pour fonctionner sur des superordinateurs puissants, elle peut également fonctionner sur des ordinateurs de bureau classiques pour étudier des matériaux bidimensionnels.
Le chercheur principal de l’étude, Ivo Sbalzarini, résume : « Dix années de recherche ont été consacrées à la création de ce cadre de simulation et à l’amélioration de la productivité de la science informatique. Tout cela est désormais réuni dans un outil permettant de comprendre le comportement tridimensionnel des matériaux vivants. Open source, évolutif et capable de gérer des scénarios complexes, notre code ouvre de nouvelles voies pour la modélisation des matériaux actifs, ce qui pourrait enfin nous amener à comprendre comment les cellules et les tissus prennent leur forme, abordant ainsi la question fondamentale de la morphogenèse qui intrigue les scientifiques depuis longtemps. siècles. Mais cela peut aussi nous aider à concevoir des machines biologiques artificielles avec un nombre minimal de composants.
Le code informatique qui soutient les résultats de cette étude est librement disponible dans le référentiel github 3Dactive-hydrodynamics situé à l’adresse https://github.com/mosaic-group/3Dactive-hydrodynamics.
Le framework open source OpenFPM est disponible sur https://github.com/mosaic-group/openfpm_pdata
Publications connexes pour le langage informatique embarqué et la bibliothèque logicielle OpenFPM : https://doi.org/10.1016/j.cpc.2019.03.007 et https://doi.org/10.1140/epje/s10189-021-00121-x