Projekti / Programi
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.02 |
Naravoslovje |
Fizika |
Teoretična fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P190 |
Naravoslovno-matematične vede |
Matematična in splošna teoretična fizika, klasična mehanika, kvantna mehanika, relativnost, gravitacija, statistična fizika, termodinamika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
aktivna snov, epitelijska tkiva, ogliščni model, strojno učenje
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
36332 |
dr. Matej Krajnc |
Fizika |
Vodja |
2019 - 2021 |
52 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.742 |
Povzetek
V naravi je mnogo kompleksnih materialov, izmed katerih so nekateri v ravnovesju ali pa vsaj blizu ravnovesja, npr. tekoči kristali in les. Obstajajo pa tudi snovi, ki so daleč od ravnovesja-tem pravimo aktivne snovi in so najpogosteje biološke narave. Tipičen primer biološke aktivne snovi so živalske celice, ki jih daleč od ravnovesja držijo metabolični procesi in encimi, ki porabljajo energijo za delo, npr. molekulski motorji. Ti generirajo sile, ki celice deformirajo in ženejo celične migracije. Poznavanje osnovnih biofizikalnih mehanizmov, ki določajo materialne lastnosti in splošno obnašanje aktivnih bioloških snovi, tako v naravi kot tudi v laboratoriju, je ključnega pomena za naše razumevanje delovanja živih organizmov in njihovega razvoja. Hiter razvoj eksperimentalnih metod, genetike in metod numeričnega računanja z zmogljivimi računalniki nam danes omogoča interdisciplinarni kvantitativni pristop k študijam tovrstnih materialov. To je še posebno pomembno za naše razumevanje obnašanja živalskih tkiv, pri čemer je glavni motiv razviti uspešnejše metode za diagnozo in zdravljenje bolezenskih pojavov, kot je rak. V okviru predlaganega projekta bomo z metodami matematične fizike in računalniških simulacij študirali aktivne biološke snovi. Najprej se bomo posvetili študiji nastnka epitelijskega tkiva v zgodnjem razvoju zarodka vinske mušice. Tu gre za t.i. proces celularizacije, kjer se celična jedra, ki si pred tem delijo citoplazmo, kompartmentalizirajo. To se zgodi preko invaginacij celičnih membran v prostore med jedri. Zanimalo nas bo kateri fizikalni mehanizmi so ključnega pomena za robusten nastanek epitelija in kako na celularizacijo vplivajo genetske in mehanske perturbacije teh mehanizmov. Nadalje se bomo lotili mehanike aktivnih epitelijev, kjer fluktuacije napetosti na medceličnih stikih vodijo do celičnih prerazporeditev in promovirajo tekočinsko obnašanje tkiva. Obravnavali bomo viskoelastične lastnosti tovrstnih aktivnih tkiv in organizacijo celic v tkivu. Študirali bomo tudi tkiva, ki vsebujejo dva ali več tipov celic, pri čemer se bo zanimalo predvsem kako različne mehanske lastnosti med tipi celic vplivajo na celično sortiranje in ženejo tridimenzionalne spremembe oblike tkiva. Razvili bomo še tridimenzionalna matematična modela zarodka vinske mušice in nagubanih črevesnih epitelijev. Tu nas bo zanimalo predvsem, kako interakcije med celicami v kombinaciji z zunanjimi silami določajo tridimenzionalno obliko celotnega tkiva. Posebno poglavje projekta se bo nanašalo na razvoj računalniških orodij za avtomatsko zaznavanje vzorcev obnašanja v gručah aktivnih agentov. Tu bomo uporabili preproste matematične metode strojnega učenja in razvili računalniški program, ki bo v posnetkih gibanja aktivnih agentov, npr. jate ptic, gruče mravelj itd. iskal ponavljajoče se vzorce in jih primerno analiziral. Naše orodje bo omogočilo bolj kvantitativno obravnavo mehanike aktivnih materialov na nivoju njihovih osnovnih gradnikov.
Pomen za razvoj znanosti
Področje fizike aktivne mehke snovi v zadnjih letih močno pridobiva na zanimanju in veljavi v širši znanstveni sferi. Gre namreč za področje fizike, ki se ukvarja s sistemi tipično biološke narave. Ti sistemi so seveda zanimivi ne le z zornega kota fizike pač pa tudi, oz. predvsem, biologije, kemije itd. Tematika predlaganega projekta se v veliki meri dotika razvoja zarodka in mehanike bioloških tkiv in celic, pri čemer bo v prvi vrsti šlo za osnovne teoretične raziskave, ki pa bodo potekale v sodelovanju s priznanimi tujimi in domačimi raziskovalnimi skupinami. Rezultate predlaganega projekta bomo predstavili v več znanstenih člankih, ki jih bomo poslali v objavo v priznane mednarodne revije. Predstavljali bodo izviren znanstveni prispevek, ki bo pripomogel k boljšemu razumevanju osnovnih fizikalnih mehanizmov dimanike bioloških aktivnih snovi.
Pomen za razvoj Slovenije
Active soft matter physics has been a rapidly growing field of research and is getting more and more attention in scientific community. The systems of interest that it addresses are typically biological by nature and therefore interesting not only from the physics but also from the biology and chemistry perspectives. The theme of the proposed project is mostly going to revolve around the embryonic development and the mechanics of biological tissues and cells. The studies are going to be mostly theoretical, however we are going to be collaborating closely with research groups both from Slovenia and abroad. We are going to present the results of the project in renowned international scientific journals. Our results are going to represent an original and significant scientific contribution that is going to improve our understanding of the basic physical mechanisms behind the dynamics of biological active matter.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
