Forskning
Nedan diskuterar vi några breda områden av modelleringstekniker som förenar vår forskning, och introducerar det gemensamma tema som förenar många Icelabbers: modellering av adaptiva mekanismer i levande system under stress.
Stress Response Modeling vid IceLab
Stress Response Modeling vid IceLab är ett tvärvetenskapligt komplexitetscenter som bildades för att avslöja universella principer och anpassningsmekanismer i levande system under stress, vilket ger förståelse om villkoren för uppkomsten av stabilitet, motståndskraft och motstånd i kontrast till flera aktiva tillstånd, kritiska övergångar och "tipping-points". Vi bedriver forskning baserat på tre pelare: 1) systemspecifik empirisk kunskap som delas över organisatoriska skalor av studiesystem, 2) nätverksanalys med nya inferensverktyg för förutsägelser och mekanistiska hypoteser, och 3) dynamisk systemmodellering som förklarar hur dessa system driver eller hämmar kritiska övergångar. Stress Response Modeling vid IceLab finansieras av ett excellensbidrag från Vetenskapsrådet, med stöd från Kempestiftelserna och Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, och inkluderar rekryteringsmöjligheter, en forskarskola, aktiviteter och konferenser.
Eko-evolutionär modellering
Eftersom mänskliga aktiviteter drastiskt förändrar naturliga livsmiljöer och påverkar framtida klimatförhållanden, finns det ett ökande behov av att förstå ekologin i samspelet mellan växter, djur och miljö, samt hur växter och djur anpassar sig genom evolutionära förändringar. Eftersom dessa system ofta har många komplexa beroenden är exakta representationer med hjälp av matematikens språk ofta till hjälp för att klargöra beroenden och testa hypoteser. Studiet av ekologi och evolution är också viktigt för att förstå den naturliga värld som vi alla är en del av.
Forskarna vid IceLab arbetar med frågor inom ekologi och evolution genom att utveckla matematiska modeller. Modellerna kopplas till experimentellt data eller observationsdata och studeras med hjälp av en kombination av analytiska metoder och beräkningsmetoder. Även om den mesta forskningen hittills har fokuserat på frågor inom ekologi och evolution, är de tekniker som används generella och kan tillämpas på många andra områden också, till exempel skogsbruk, fiske, samhällsvetenskap och ekonomi. Forskningen bedrivs ofta i tvärvetenskapliga konstellationer med samarbetspartners från hela världen.
Som ett exempel på pågående projekt utvecklar vi sjöekosystemmodeller som en del av det större forskningsprojektet ”Climate change induced regime shifts in northern lake ecosystems” som finansieras av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Syftet är att beskriva hur biotiska faktorer såsom växtplankton, bentiska plankton, bentiska betare och konsumenter på högre trofinivåer samverkar med abiotiska faktorer såsom ljustillgång, näringstillgång och sjöns morfologi för att bestämma sjöns produktivitet, biotiska sammansättning och kolinlagring. De utvecklade modellerna valideras med observationsdata och används bland annat för att bedöma potentialen för regimskiften.
Nätverk
Helheten i ett komplext system består av summan plus interaktionen mellan dess delar. För att förstå sociala, biologiska och ekonomiska system måste man därför ofta förstå deras interaktionsmönster - deras nätverk av noder och länkar. Centrala frågor är bland annat: Hur bildas nätverken? Hur styr nätverken flödena mellan systemen, och hur förändras nätverken över tid?
I IceLab kombinerar vi interaktionsdata och enkla modeller av dynamiska processer i nätverk för att identifiera viktiga noder eller substrukturer för olika funktioner. Eftersom parvisa länkar kan dölja flödena över systemen när man representerar interaktioner i komplexa system, utvecklar vi representationer av högre ordning som fångar de faktiska vägarna. Eftersom nätverk ofta är stora och komplexa i sig själva utvecklar vi också matematik, algoritmer och visualiseringar för att förenkla och lyfta fram viktiga strukturer i standardnätverk och nätverk av högre ordning.
I vårt tvärvetenskapliga arbetssätt gör nya modeller och verktyg det möjligt för oss att studera naturfenomen på nya sätt, vilket väcker ytterligare frågor som kräver förfinade modeller och verktyg. Pågående projekt som drar nytta av denna nära integration av matematisk modellering och empiriska vetenskaper inkluderar avkodning av signalnätverk som styr växters stressreaktioner, kartläggning av historiska säsongsutbrott för tillförlitlig modellering av sjukdomsspridning och avgränsning av bioprovinser för att bedöma hur de svarar på tidigare och nuvarande stora klimatförändringar.
Biofysisk modellering
Biologiska system i celler innebär särskilda utmaningar för forskare som försöker förstå dessa system genom modellering. Till exempel förbrukar biologiska system ofta energi och är därför ur jämvikt. Detta är fallet för cellulära processer som gentranskription och bränsletillförsel till biokemiska reaktioner. Vi ser också att systemens dynamik ofta härrör från nätverk av återkopplingsslingor som styr koncentrationen av olika typer av proteiner, till exempel i signalering och i metaboliska nätverk, liksom i genreglering. Dessutom är cellulära processer stokastiska till följd av termiska fluktuationer och fluktuationer i låga molekylantal.
Inom biofysikalisk modellering används ofta Master-ekvationen för att hantera dessa utmaningar. Master-ekvationen är en fenomenologisk uppsättning differentialekvationer av första ordningen som beskriver tidsutvecklingen av sannolikheten för att ett system ska befinna sig i ett av en diskret uppsättning tillstånd. Monte Carlo-simuleringar, som Gillespie-algoritmen, används också. På IceLab har vi använt dessa metoder för att studera proteindiffusion på en trång DNA-molekyl, proteinmålsökning i kärnan och epigenetisk repression av Polycomb-proteiner i bananflugan.
På IceLab har vi också projekt om 3D-organisationen av DNA i cellkärnan. För att studera detta använder vi molekyldynamiksimuleringar av polymersystem med hjälp av fritt tillgängliga paket, till exempel GROMACS, men också egenskriven kod. Dessutom använder vi algoritmer för nätverksklustring för att bättre förstå det nätverk av fysiska kontakter mellan DNA-fragment som experimentella forskare mäter med hjälp av så kallade Hi-C-experiment.
Matematisk modellering: Vårt storartade tillvägagångssätt
Det fossila arkivet, sociala nätverk, fytoplankton, DNA-veckning, mikrobiell ekonomi, invasiva arter och antibiotikaresistens. IceLab-forskningen täcker ett brett spektrum av vetenskapliga frågor och sträcker sig över flera vetenskapliga discipliner. All IceLab-forskning har dock ett gemensamt drag: en tillämpning av matematiska modelleringstekniker på vetenskapliga frågor. Genom att använda ett kvantitativt tillvägagångssätt kan våra forskare kommunicera över disciplingränserna och identifiera nya och spännande möjligheter till samarbete och upptäckter.
Senast uppdaterad: 2025-02-04