Uproszczone podejście rzuca światło na złożone systemy drobnoustrojów
Matematyka, dzięki ustalaniu określonych zależności przyczynowo-skutkowych, jest narzędziem pozwalającym zrozumieć świat. Przykładowo 20-procentowa zniżka na lodówkę kosztującą 1 000 euro zapewnia oszczędność 0,20*1 000 = 200 euro. Stosowanie opisu matematycznego i odpowiednich modeli staje się jeszcze bardziej niezbędne w pracy naukowców i inżynierów, którzy starają się opisać procesy o niesłychanej złożoności. Dotyczy to wszystkich dziedzin – od medycyny po nauki klimatyczne, ekonomię i produkcję. Dzięki wsparciu z programu indywidualnych stypendiów w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie” (MSCA-IF) rozpoczęto prowadzenie projektu DRAMATIC. Jego celem było opracowanie ulepszonych modeli matematycznych, które pomogłyby jeszcze lepiej korzystać z siły kryjącej się w życiu drobnoustrojów dla większej korzyści ludzi i środowiska. Beneficjent globalnego stypendium, Matthew Wade z Uniwersytetu w Newcastle, zdołał wprowadzić do modeli inżynierii systemów biologicznych teorię matematyczną wykorzystywaną zazwyczaj do opisu procesów przemysłowych.
Uproszczone modele ułatwiają wprowadzanie matematyki wyższej
Inżynieria systemów biologicznych dotyczy wszystkich procesów, które są w jakikolwiek sposób zmieniane lub zarządzane za pomocą zasad inżynierii. Typowym przykładem jest działanie oczyszczalni ścieków. Obecnie działania związane z usuwaniem skutków zakłóceń procesu, awarii, a nawet pełnego ustania pracy są podejmowane na podstawie wiedzy empirycznej. Modele predykcyjne, aby nadawały się do użytku, muszą znaleźć odpowiednią równowagę między szczegółowością (która ze względu na nieodzowną niepewność modeli może, ale nie musi zwiększać ich dokładność) a czasem prowadzenia obliczeń i obciążeniem obliczeniowym. Zmniejszanie złożoności modelu bez utraty niezbędnej dokładności pozwala naukowcom tworzyć modele poddające się rygorystycznym analizom matematycznym.
Nie dowiesz się, jeśli nie spróbujesz
To właśnie zrobił Wade. Jak sam wyjaśnia: „Modele inżynierii systemów biologicznych można upraszczać za pomocą narzędzi analizy matematycznej, które są zazwyczaj domeną teoretyków. Dzięki temu możliwe staje się ilościowe badanie dynamiki takiego układu. Rozwiązanie takie może pomóc w zidentyfikowaniu nieoczekiwanych zdarzeń lub sytuacji awaryjnych, ale też w prowadzeniu badań doświadczalnych i umożliwieniu optymalizacji parametrów, która ostatecznie prowadzi do lepszego sterowania procesami”. Metodologia Wade’a może doprowadzić do powstania modeli uwzględniających konkretne potrzeby, różniących się znacznie od gotowych symulatorów ograniczonych ustalonym zestawem parametrów. Wade opracował metodę przeprowadzania analizy bifurkacyjnej dla studium deamonifikacji, wydajnego energetycznie procesu powszechnie akceptowanego w uzdatnianiu ścieków bogatych w amoniak. Analiza bifurkacyjna opisuje, jak zmieniają się długoterminowe zachowania przewidywane modelem wraz z modyfikacją głównych parametrów kontrolnych modelu. Kod o otwartym dostępie, który opublikował Wade, oraz przeprowadzona przez niego analiza zwiększyły zrozumienie tego, w jaki sposób wybrane parametry sterowania mogą powstrzymywać rozwój organizmów, które wpływają niekorzystnie na wydajność procesu poprzez zwiększanie zapotrzebowania na energię i węgiel.
Jakość, nie ilość
O ile mniej skomplikowane i upraszczające założenia podstawowego modelu predykcyjnego mogą zmniejszyć dokładność ilościową analizy, to do zapewnienia właściwego planowania i optymalizacji procesów uzdatniania biologicznego niezbędny jest ogląd jakościowy. Zasada ta sprawdza się szczególnie wyraźnie w momentach, gdy priorytetem staje się efektywność energetyczna i gospodarowania zasobami. Ponadto w wielu przypadkach modele uproszczone poddają się badaniom analitycznym z wykorzystaniem uogólnionego opisu wzrostu drobnoustrojów, co potencjalnie może przynieść lepsze zrozumienie takich procesów, gdyż wskazane w ten sposób właściwości będą prawdziwe dla wszystkich wartości parametrów. Wade podsumowuje: „Ograniczenia środowiskowe, ekonomiczne i społeczne dotyczące wykorzystania wody, energii i pożywienia stale rosną. Jest niezmiernie istotne, by inżynieria systemów biologicznych powiązana z tymi zasobami była zoptymalizowana, ale też odporna na występowanie błędów i by umożliwiała elastyczne dostosowanie się do przyszłych wymagań. Projekt DRAMATIC wykazał, jak ważna i niezbędna jest analiza matematyczna w zrozumieniu inżynierii systemów biologicznych i zarządzaniu jej procesami”.
Słowa kluczowe
DRAMATIC, model, matematyczny, EBS, drobnoustroje, analiza bifurkacyjna, deamonifikacja, inżynieria systemów biologicznych, ścieki
