Skalbar beräkningsmodellering av levande celler

Tidsperiod:

1 januari 2020 – 31 december 2023

Projektledare:

Stefan Engblom

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 200 000 SEK

För att fungera behöver en cell kunna tillverka proteiner som står för olika funktioner. Själva tillverkningen styrs av arvsmassan som därmed reglerar hela cellens liv. Att detaljbeskriva en cell eller bakterie är ett nära på hopplöst projekt: exempelvis finns det i en enda kolibakterie omkring 200,000 RNA-molekyler av olika karaktär, mer än 2 miljoner proteiner samt nästan 25 miljarder vattenmolekyler. Vissa processer slutförs under loppet av minuter, andra sker ideligen och under miljarddelar av en sekund.En lösning är att försöka modellera mindre delprocesser i cellen, små kemiska nätverk som på ett förenklat sätt beskriver hur olika ämnen reagerar med varandra och vilket resultatet blir. Det är då fördelaktigt att tillåta en inverkan av slumpen för att efterlikna effekten av de delar som inte längre beskrivs i detalj. Sådana slumpmodeller och speciellt deras beräkningsvetenskapliga egenskaper är föremålet för det här projektet. Att ta fram och analysera noggranna beräkningsmetoder är ett viktigt delmål då många forskargrupper idag använder approximativa beräkningsverktyg som alltså kan vara föremål för förbättringar och effektiviseringar.En speciell modelleringssvårighet är att kunna koppla det inre av cellens funktion med dess interaktion med andra celler. Å ena sidan är det här viktigt för att kunna förstå hur de små detaljerna inuti cellen påverkar helheten; å andra sidan är det svårt eftersom skalskillnaderna är så stora. Händelserna inuti en cell sker under mycket kort tid, men en växande cellpopulation är en relativt långsam process.Slutligen kommer också en beräkningsmetodik för att kunna bestämma parametrarna i dessa typer av modeller från givna data att tas fram. En viktig aspekt här är att undvika övermodellering; en modell vars parametrar inte kan bestämmas är inte komplett och rimligen finns det då enklare modeller som åstadkommer en snarlik effekt.Motivationen till detta arbete kommer främst från biomedicinskt håll. Intressant nog så visar det sig att essentiellt samma speciella beskrivning också används på annat håll: inom epidemiologi beskrivs sjukdomars utbredning, inom genetik hur arvsanlag förs vidare i en population, inom sociologi förändringen av levnadsstandarden inom olika befolkningsgrupper och utbredningen av språk. Här har matematiska beräkningsmodeller inte använts lika intensivt som inom biokemi och resultaten från projektet  kan vara till nytta även i dessa discipliner.