Modelowanie wzrostu patologii w organizmach przy pomocy paradygmatu złożonego automatu

Zrozumienie działania złożonych biologicznych systemów wymaga integracji badań eksperymentalnych z obliczeniami. W literaturze światowej badania naukowe w tym kierunku znane są pod nazwą biologia systemów (ang. systems biology) lub obliczeniowa biologia systemów i obejmują najtrudniejsze wyzwania jakie do tej pory stały przed nauką i nauką o obliczeniach w szczególności. Ich celem jest dogłębne poznanie funkcjonowania żywych organizmów. Do niedawna takim wyzwaniem dla nauki i nauki o obliczenaich były systemy złożone (ang. complex systems) i zjawiska emergentne (ang. emergent behaviour) czyli takie, które są wynikiem oddziaływania ogromnej liczby prostych i identycznych elementów. Rzeczywistość systemów biologicznych jest zupełnie inna i jeszcze bardziej złożona. Tutaj wielka liczba funkcjonalnie różnych, a często spełniających wiele funkcji zbiorów elementów, oddziaływuje ze sobą w sposób selektywny i nieliniowy w wyniku czego obserwujemy spójne zachowanie komórki, tkanki, organizmu jako całości. Co więcej, sprzężenie pomiędzy rozseparowanymi skalami czaso-przestrzennymi powiązanych ze sobą procesów ujawnia się tu znacznie silniej niż w systemach złożonych. Utrudnia to separację skal, ich aproksymację i zastosowanie procedur renormalizacyjnych. Często uniemożliwia to zastosowanie wygodnej procedury obliczeniowej jaką jest zogniskowanie (ang. focalization) obliczeń na najistotniejszym obszarze w których zachodzi badany proces równocześnie wykorzystując aproksymacyjne modele dla obszarów mniej istotnych.

Celem projektu jest opracowanie nowej metodologii modelowania, tzw. złożonych automatów,  ukierunkowanej na rozwiązywanie problemów biologii obliczeniowej. Są to systemy stanowiące rozszerzenie paradygmatu automatu komórkowego poprzez rezygnację z jego głównych ograniczeń: nieruchomej regularnej siatki, oraz założenia o homogeniczności reguł i biernej roli pojedynczego automatu. Autorzy projektu proponują zamiast regularnej siatki automatów wprowadzić automaty oddziaływujące ze sobą zarówno w sposób mechaniczny powodujący ich przemieszczenie, wykorzystując równocześnie „oddziaływania” regułowe wynikające ze stanu pojedynczego automatu i stanów automatów w jego sąsiedztwie. Równocześnie stan automatu były modyfikowany zarówno przez mikroskopowe zjawiska zachodzące w przestrzeni o rozmiarach mniejszych niż rozdzielczość systemu jak i zjawiska zachodzące w całym systemie opisywane przy pomocy równań fizyki matematycznej (np. równanie reakcji-dyfuzji,  równania Maxwella, czy równania hydrodynamiki). Celem pośrednim będzie stworzenie środowiska obliczeniowego dla tak zdefiniowanego automatu złożonego oraz szkieletu pewnej „metafory obliczeniowej” na bazie której można budować wieloskalowe modele biologiczne i tworzyć wygodne środowiska do wizualizacji wyników symulacji.

Model testowany będzie na dwóch przykładach wzrostu masy patologicznej o zdecydowanie różnym charakterze: problemu wzrostu nowotworu w tkance oraz zjawiska ataku fusarium na roślinę. W pierwszym przypadku badany będzie wpływ mechanicznego oddziaływania wrastającego w zdrową tkankę nowotworu na przebieg procesu angiogenezy oraz rola perycytów w procesie waskularyzacji guza. W drugim przypadku, badana będzie szybkość ataku fusarium w zależności od odporności rośliny oraz ilości wydzielanych przez grzyba toksyn. Badana będzie zarówno molekularna i strukturalna zależność odporności rośliny na atak fusarium. Nowym elementem zastosowanym w konstrukcji modelu będzie próba rekonstrukcji reguł automatu na bazie analizy mikromacierzy ekspresji genów rośliny inokulowanej różną ilością fusarium. Autorzy projektu posiadają zapewnienia o współpracy od:

·         prof. dr Arkadiusza Dudka Division of Hematology, Oncology and Transplantation, Department of Medicine,  University of Minnesota Cancer Center, który służyłby zespołowi jako ekspert w dziedzinie symulacji nowotworu, a także wskazywałby na nowe kierunki rozwoju badań, oraz wspierałby grupę wynikami laboratoryjnymi,

·         dr Margaret Balcerzak z rządowego instytutu Agriculture and Agri-Food Canada, Ottawa, Kanada zajmującej się badaniem (eksperymentalnym) odporności roślin na ataki fusarium, która służyłaby ekspertyzą w dziedzinie symulacji wzrostu fusarium, a także dostarczałaby dane eksperymentalne do analizy.

Oprócz publikacji naukowych, wynikiem projektu byłyby aplikacje służące do modelowania wzrostu nowotworu i fusarium oraz środowisko obliczeniowe do wizualizacji rezultatów symulacji procesów wzrostu.