Research description

Department of Biosystems and Soft Matter

Head of Department:

Prof. Eligiusz Wajnryb, Ph.D., Dr. Habil.
Subjects:

Zlec. 176

1. Matematyczne modele układów biologicznych i ich doświadczalna weryfikacja.

2. Mikroprzepływy; wykorzystanie do produkcji nanomateriałów biologicznych.

Zlec. 178

1. Dynamika i reologia płynów złożonych zawierających cząstki o złożonej strukturze wewnętrznej.

2. Wielocząstkowe oddziaływania hydrodynamiczne mikro-obiektów z powierzchniami międzyfazowymi i ściankami.

3. Wyznaczenie mikrostruktur dla ośrodków dyspersyjnych.

Project type:Badania statutowe
Period:2011 2011

30.01.2012

GŁÓWNE KIERUNKI BADAŃ W 2011r

•    Przeprowadzono analizę efektywności transmisji informacji dla sieci komórek neuronowych w zależności od charakterystyki neuronów m.in. fluktuacji amplitudy podczas obliczeń neuronowych oraz takich parametrów jak: błędy w synapsie, wartości poziomu aktywacji neuronu, aktywności, entropii oraz typu źródła (zależne, niezależne). Uzyskane wyniki wskazują, że w pewnym zakresie parametrów transmisja może być wydajniejsza dla bardziej tłumiących fluktuacji. Ponadto wykazano, że wzmocnienie fluktuacji zwiększa rolę szumu w synapsach dla poprawienia wydajności. Przeprowadzono też analizę efektywności transmisji uwzględniającą efekty energetyczne oraz analizę dla modeli sieci inspirowanych architekturą mózgu. Zaproponowano metodę badania efektywności transmisji grup neuronów opartą na teorii informacji. W tym celu wykorzystano pojęcie tzw. Informacji Wzajemnej i Redundancji, którą badano metodami numerycznymi w oparciu o dane eksperymentalne. Badania pokazały że transmisja informacji w sieciach charakteryzuje się duża elastycznością (transmisja w oparciu o wiodący neuron lub efekt synergii grupy) i odpornością na szum.
•    Przeprowadzono badania nad zastosowaniem elektroprzędzonych nanowłókien do tworzenia systemów uwalniania leków i materiałów izolacyjnych stosowanych w operacjach centralnego układu nerwowego, oraz badania zastosowania konstruktów z elektroprzędzonych nanowłókien do tworzenia implantów urologicznych (moczowód i pęcherz moczowy) oraz jako opatrunek w chorobach skóry i oparzeniach.
•    Kontynuowano prace dotyczące analizy przepływu cieczy przez mikrokanał o specjalnie dobranym pofalowaniu ścianek, prowadzącym do zaskakująco silnej redukcji krytycznej liczby Reynoldsa, przy której następowała destabilizacja przepływu. Dodatkowo, pofalowanie takie nie wprowadzało dodatkowych oporów hydraulicznych. Wyznaczono, że dla optymalnej geometrii krytyczna liczba Reynoldsa wynosi poniżej 100. Kontynuowano prace poświęcone modyfikacji eksperymentalnej techniki micro-PIV, pozwalającej bezinwazyjnie mierzyć pole prędkości płynu w mikrokanale. Zastosowana modyfikacja pozwala zwiększyć dokładność pomiarów w niektórych klasach takich przepływów.
•    Przeanalizowano warunki istnienia stabilnych cykli granicznych oraz chaosu w modelu dynamiki wapnia w komórce; znaleziono parametry, dla których poziomy wapnia w poszczególnych organellach i przepływy między nimi są fizjologicznie akceptowalne (w hepatocytach). Skonstruowano model opisujący zmiany stężenia białek po zainicjowaniu sygnału wapniowego w komórce przy użyciu środowiska BioNetGen. Rozwinięto model układu NF-kB z dodatnia autoregulacją poprzez syntezę, wydzielanie i wiązanie cytokiny TNF. Przeanalizowano wielokompartmentowy model oscylacji wapniowych w komórce uwzględniający istnienie bezpośrednich połączeń miedzy siateczką endoplazmatyczą a mitochondriami (tzw. MAMów). Został zaproponowany scenariusz apoptotyczny komórki oparciu o proces przeładowania mitochondriów implikowany nadaktywnością MAM-ów. Przeprowadzono analizę istnienia i stabilności punktów stałych deterministycznego modelu dynamiki wapnia w komórce w zależności od parametrów. Badano występujący w modelu chaos z pomocą pakietu Tisean – wyznaczono wymiar korelacyjny trajektorii.
•    Zbudowano roboczą wersję modelu szlaków sygnałowych związanych z obroną immunologiczną  sprzęgającego systemy czynników transkrypcyjnych NF-kB i IRF3. Zbudowano model kaskady MAPK ujmujący heterodimeryzację kinaz MEK1 i MEK2.  Wstępny model odtwarza większość zaobserwowanych profili aktywacji MEK i ERK.  Jest to pierwszy znany nam model obejmujący dimeryzację w kaskadzie MAPK i może być pomocny w wyjaśnieniu fenotypu myszy MEK1 KO. Zbudowano model aktywacji JNK2alpha2 oparty na transfosforylacji. Model wyjaśnia wysoką konstytutywną aktywność JNK2 oraz stanowi punkt wyjścia do zrozumienia zaobserwowanych funkcjonalnych antagonizmów między JNK2 i JNK1 (np. poprzez ich heterodimeryzację).
•    Zaproponowano interpretację układu opisywanego jednowymiarowym procesem Markowa jako ruchu cząstki w polu potencjału i niejednorodnej temperatury.  Kolejnym zadaniem było przejście do dwuwymiarowego procesu Markowa. Przeanalizowano procesy Markowa z dyfuzją w dwóch przybliżeniach: w granicy nieskończonej dyfuzji, oraz w przybliżeniu deterministycznym o skończonej dyfuzji.
•    Dla skonstruowanych uprzednio modeli kaskady MAPK zawierających białka „scaffold” przeprowadzono analizę wrażliwości oraz eksplorację przestrzeni parametrów. W szczególności, zastosowano metodę Łacińskich Hipersześcianów, aby porównać odpowiedzi modeli opartych na różnych kombinacjach trybów fosforylacji i obecności lub braku „scaffoldów”. Zgromadzono dodatkowe mechanistyczne informacje na temat roli heterodimeryzacji izoform RAF i KSR w regulacji kaskady MAPK.
•    Uzupełniono model matematyczny dotyczący analitycznych rozwiązań problemu wzajemnej aktywacji kinaz i receptorów membranowych o interpretację biologiczną i porównanie z symulacjami numerycznymi. Opracowano konstruktywną metodę znajdowania sferycznie symetrycznych rozwiązań w układach typu reakcji-dyfuzji opisujących procesy wzajemnej aktywacji receptorów i kinaz na membranie komórkowej. Przeanalizowano stabilność znalezionych rozwiązań. Dowody istnienia zostały rozszerzone również na rozwiązania nie posiadające symetrii sferycznej. Dla skonstruowanego uprzednio modelu przestrzennego aktywacji receptorów i kinaz pokazano, że limfocyt B może zostać aktywowany poprzez powstanie małego klastra receptorów, gdzie krytyczna liczba sklasteryzowanych receptorów potrzebna do aktywacji komórki maleje wraz ze współczynnikiem dyfuzji kinaz oraz grubością cytoplazmy, bądź poprzez przesunięcie jądra komórkowego bez klasteryzacji receptorów. Przeprowadzono analizę stochastycznego bistabilnego modelu ekspresji genów z podwójnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym (toggle switch).
•    Skonstruowane zostały przybliżone, proste i użyteczne wyrażenia na współczynniki translacyjnej i rotacyjnej dyfuzji własnej nano- i mikro- cząstek zawieszonych w ośrodku płynnym, w całym zakresie ułamków objętościowych aż do 45%. Wyrażenia te uzyskano na podstawie analizy wyników symulacji numerycznych wykonanych za pomocą kodów HYDROMULTIPOLE, przy zastosowaniu obliczonych przez nas wcześniej (i opublikowanych w 2011 roku) wartości współczynników wiralnych. Dla współczynników translacyjnej i rotacyjnej dyfuzji własnej, sedymentacji i lepkości zawiesin cząstek przepuszczających wodę obliczono człony wirialne odpowiadające dwucząstkowym oddziaływaniom hydrodynamicznym. Są to podstawowe charakterystyki układów mikro- i nano-cząstek w płynach. Obliczono numerycznie z bardzo dużą dokładnością ruch cząstki w przepływie Poiseuille'a między dwiema równoległymi ściankami i zaproponowano proste wzory przybliżone użyteczne w podstawowych technikach segregacji cząstek: fluid-flow-fractionation oraz chromatografii hydrodynamicznej.
•    Wyznaczono wpływ oddziaływań hydrodynamicznych między bliskimi powierzchniami cząstek na czas życia grupy trzech cząstek opadających grawitacyjnie w lepkim płynie. Porównując z modelem punktowym pokazano, że oddziaływania te stabilizują układ, a mianowicie, zakres warunków początkowych prowadzących do rozpraszania chaotycznego ulega ograniczeniu. Przeanalizowano eksperymentalnie i numerycznie proces opadania grawitacyjnego kropel zawiesiny w lepkim płynie w pobliżu pionowej sztywnej ścianki. Krople są grupami złożonymi z wielu cząstek początkowo przypadkowo rozłożonych wewnątrz obszaru kulistego wypełnionego płynem (tym samym co na zewnątrz). Wykazano, że im bliżej  pionowej ścianki, tym kropla zawiesiny średnio destabilizuje się szybciej i tym krótszą drogę przebywa zanim się rozpadnie. Pokazano, że  średni czas i średnia długość destabilizacji są liniowymi funkcjami odwrotności odległości środka cząstki od ściany.  Za pomocą interferometrii laserowej zmierzona została prędkość opadania w lepkim oleju sferocylindra umieszczonego w pojemniku cylindrycznym o skończonej wysokości. Wynik doświadczalny został porównany z przewidywaniami numerycznymi uzyskanymi za pomocą metody multipolowej. Uzyskano jednoprocentową zgodność wyników doświadczalnych i numerycznych w całym zakresie położeń sferocylindra.