Standard kompressionsalgoritme kunne revolutionere fysiske og biologiske beregninger, siger forskere

Entropi, et mål for den molekylære lidelse eller tilfældighed i et system, er afgørende for at forstå et systems fysiske sammensætning. I komplekse fysiske systemer, samspillet mellem interne elementer er uundgåeligt, gør entropiberegning til en beregningsmæssig krævende, og ofte upraktisk, opgave. Tendensen hos et korrekt foldet protein til at optrevle, for eksempel, kan forudsiges ved hjælp af entropiberegninger.

Nu, en ny Tel Aviv University-undersøgelse foreslår en radikalt enkel og effektiv måde at beregne entropi på - og den findes sandsynligvis på din egen computer.

"Vi opdagede en måde at beregne entropi ved hjælp af en standard komprimeringsalgoritme som zip-softwaren, vi alle har på vores computere, " forklarer prof. Roy Beck fra TAU's School of Physics and Astronomy. "Supercomputere bruges i dag til at simulere foldning eller fejlfoldning af proteiner i sygdomstilstande. Vores undersøgelse viste, at ved at bruge en standard komprimeringsalgoritme, vi kan give ny indsigt i disse proteiners fysiske egenskaber ved at beregne deres entropiværdier ved hjælp af en kompressionsalgoritme.

"At have evnen til at beregne entropi opfylder et presserende behov for at udnytte computersimulationernes utrolige kraft til at løse presserende, rettidige problemer inden for videnskab og medicin, " tilføjer Prof. Beck.

Forskningen blev ledet af prof. Beck og udført af TAU Ph.D. studerende Ram Avinery og Micha Kornreich. Den blev udgivet i Fysisk gennemgangsbreve den 22. oktober.

Ifølge prof. Beck, forskningen har uendelige anvendelsesmuligheder. Fra biomedicinske simuleringer til grundforskning udført i fysik, kemi eller materialevidenskab, den nye algoritme ville være enkel at bruge på enhver computer.

"En gymnasieelev brugte vores koncept til at beregne entropien af ​​et komplekst fysisk system - XY-modellen, " siger prof. Beck. "Selvom dette betragtes som et udfordrende problem med hensyn til entropi, eleven opnåede det med meget lidt vejledning. Dette viser, hvor let denne metode kan bruges af næsten enhver til at løse meget interessante problemer."

Idéen til beregningsmetoden opstod først, da Prof. Becks studerende, Avinery og Kornreich, diskuteret entropi ud fra informationsteoretisk synspunkt. De spekulerede på, hvor godt denne idé kunne fungere i praksis snarere end i teorien.

"De simulerede et par fysiske standardsystemer med entropiværdier, de kan sammenligne med, " siger prof. Beck. "Snart fandt de ud af, at størrelsen af ​​simuleringsdatafilen efter komprimering stiger og falder lige som den forventede entropi burde. Kort efter, de indså, at de kunne konvertere den komprimerede filstørrelse til en brugbar værdi - den fysiske entropi. Overraskende nok, den simple konvertering, de brugte, var gyldig for alle de undersøgte systemer."

Forskerne udvider i øjeblikket anvendelsen af ​​deres metodologi til et bredt og varieret udvalg af systemer.

"Siden vi begyndte at arbejde og snakkede om vores arbejde, vi er blevet kontaktet af mange forskere fra vidt forskellige områder, beder os om at hjælpe dem med at beregne entropi ud fra deres data, " slutter prof. Beck. "For nu, vi koncentrerer os om simulering af proteinfoldning, et aktuelt og presserende emne, der kan drage stor fordel af vores opdagelse."