Algoritma Superkomputer Open-Source Meramalkan Pemodelan dan Dinamika Bahan Hidup
Tanggal: 20 November 2023
Sumber: Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG)
Simpul Penting:
- Algoritma baru mengizinkan penyelesaian persamaan teori materi aktif dalam skenario realistis.
- Mekanika sel dan jaringan kini dapat dipahami lebih baik, membawa kita lebih dekat pada pemahaman tentang bagaimana sel dan jaringan mencapai bentuknya.
- Implementasi menggunakan kode superkomputer open-source memberikan kekuatan pemodelan ini kepada banyak ilmuwan.
- Teori ini dapat membantu mendesain mesin biologis buatan.
Memahami Rahasia Sel dan Jaringan dengan Kode Komputer Baru
Sebuah terobosan besar dalam pemahaman mekanika sel dan jaringan telah diperoleh melalui pengembangan algoritma baru oleh para ilmuwan dari Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) di Dresden, bersama Center for Systems Biology Dresden (CSBD), dan TU Dresden. Algoritma ini, diimplementasikan dalam kode superkomputer open-source, dapat untuk pertama kalinya menyelesaikan persamaan teori materi aktif dalam skenario realistis. Materi biologis, seperti sel, terdiri dari komponen individu, termasuk motor-motor kecil yang mengubah bahan bakar menjadi gerakan. Ini menciptakan pola gerakan, dan materi membentuk dirinya dengan aliran yang koheren melalui konsumsi energi yang konstan. Materi yang terus-menerus didorong disebut ‘materi aktif’. Mekanika sel dan jaringan dapat dijelaskan oleh teori materi aktif, kerangka ilmiah untuk memahami bentuk, aliran, dan bentuk materi hidup.
Teori Materi Aktif dan Tantangan Matematika
Teori materi aktif melibatkan sejumlah persamaan matematika yang menantang. Ilmuwan sebelumnya menghadapi kesulitan untuk memecahkan persamaan ini, tetapi dengan algoritma yang baru dikembangkan, para peneliti telah membuat langkah besar menuju memecahkan teka-teki berabad-abad tentang bagaimana sel dan jaringan mencapai bentuknya dan untuk merancang mesin biologis buatan.
Pentingnya Teori Materi Aktif
Bioproses dan perilaku seringkali sangat kompleks. Teori materi aktif memberikan kerangka kerja yang presisi dan kuantitatif untuk memahaminya. Ini menyediakan cara untuk memahami dan menjelaskan perilaku materi aktif, yaitu materi yang terdiri dari komponen individu yang dapat mengonversi bahan bakar kimia (“makanan”) menjadi gaya mekanis. Teori ini memungkinkan deskripsi dan prediksi dinamika materi hidup aktif melalui persamaan matematika. Namun, persamaan ini sangat kompleks dan sulit untuk dipecahkan, memerlukan daya superkomputer untuk memahami dan menganalisis materi hidup. Dengan algoritma baru ini, para ilmuwan dapat menjembatani kesenjangan ini dan memahami perilaku materi aktif pada skala yang berbeda dalam ruang dan waktu.
Langkah Signifikan dalam Pemahaman Materi Aktif
Para ilmuwan dari kelompok penelitian Ivo Sbalzarini, Profesor TU Dresden di Center for Systems Biology Dresden (CSBD) dan pemimpin kelompok penelitian di Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG), telah mengembangkan algoritma komputer untuk memecahkan persamaan materi aktif. Mereka berhasil mengimplementasikannya dalam kode superkomputer open-source menggunakan perpustakaan OpenFPM, yang berarti kode tersebut dapat digunakan secara bebas oleh peneliti lain. OpenFPM dikembangkan oleh kelompok Sbalzarini untuk mendemokratisasi komputasi ilmiah dalam skala besar.
Mendemokratisasi Komputasi Ilmiah
Para penulis pertama studi ini, Abhinav Singh dan Philipp Suhrcke, menjelaskan bahwa mereka menggunakan bahasa pemrograman khusus yang memungkinkan ilmuwan komputasi menulis kode superkomputer dengan menyebutkan persamaan dalam notasi matematika. Hal ini menghilangkan kebutuhan untuk memulai dari awal setiap kali mereka menulis kode, mengurangi waktu pengembangan kode dalam penelitian ilmiah dari berbulan-bulan atau bertahun-tahun menjadi beberapa hari atau minggu,
memberikan keuntungan produktivitas yang besar.
Akses untuk Semua Ilmuwan
Kode komputer yang dihasilkan dari penelitian ini tersedia secara terbuka dalam repositori GitHub dengan nama 3Dactive-hydrodynamics di https://github.com/mosaic-group/3Dactive-hydrodynamics. Ini memungkinkan ilmuwan lain untuk dengan mudah mengakses dan menggunakan algoritma ini. Meskipun dirancang untuk dijalankan di superkomputer, aplikasi ini juga dapat berjalan di komputer kantor biasa untuk mempelajari materi dua dimensi.
Rangkuman
Temuan ini mewakili langkah besar dalam memahami perilaku sel dan jaringan. Kode ini bukan hanya alat untuk memecahkan teka-teki sejarah tentang morfogenesis, tetapi juga membuka peluang baru untuk merancang mesin biologis buatan dengan komponen minimal. Dengan pemanfaatan daya superkomputer dan pendekatan pemrograman terbuka, para ilmuwan diharapkan dapat membawa kita lebih dekat pada rahasia bentuk dan perilaku bahan hidup.
Sumber:
Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG)
Referensi:
0 Comments