Šiame projekte bus skaitiškai modeliuojamos ir tiriamos dvi atvirų sistemų rūšys. Tai - biokatalizinės sistemos, kuriose didelis skaičius mikroreaktorių su katalizuojančiais fermentais ar ląstelėmis yra sudėta į talpą, pripildytą tirpalo, ir aktyviųjų dalelių, tokių kaip bakterijos, judėjimas apribotose struktūrose. Šios dvi sistemų rūšys, fizikine prasme, yra panašios, bet jos turi ir esminių skirtumų. Į biokatalizines mikroreaktorių sistemas galima žiūrėti kaip į nejudančias (pasyvias) koloidines daleles. Tuo tarpu gyvosios bakterijos turi savyje varomosios jėgos, joms yra būdinga savitas kolektyvinis judėjimas, dėl kurio bakterijų populiacijos formuoja sudėtingas struktūras.    

Mikrobioreaktoriai yra plačiai naudojami diagnostinėse ir analizinėse sistemose, sveikatos priežiūros priemonėse, kuriant vaistus, taip pat chemijos pramonėje ir kitur. Mikrobioreaktoriuose naudojami labai maži kiekiai katalizatorių ir kitų medžiagų, dėl ko labai mažėja gamybos ir analizės kaštai, trumpėja procesų laikas, sistemos tampa kompaktiškesnėmis. Santykinai dideles naujų bioprocesų ir bioreaktorių projektavimo bei optimizavimo sąnaudas galima ženkliai sumažinti naudojant matematinius ir kompiuterinius įrankius, kurie dažnai leidžia pažvelgti į sudėtingų procesų, tarp jų ir mikroorganizmų, elgseną iš vidaus, kas paprastai yra neįmanoma naudojant tradicines eksperimentines technologijas.   

Ląstelės, kaip aktyviosios dalelės, geba kryptingai judėti link didesnių ar mažesnių cheminių medžiagų koncentracijų. Toks judėjimas vadinamas chemotaksiu ir vaidina labai svarbų vaidmenį ląstelėms migruojant organizmuose, embrione, vėžiniuose augliuose ir kitur. Nuo 1970-ųjų matematinis modeliavimas užsirekomendavo svarbiu įrankiu aiškinantis chemotaksį. Neseniai buvo parodyta, kad chemotaksio modelis gali būti taikomas ne tik mikrobiologinei aplinkai, bet ir šiandien aktualiems Janus koloidams, kuriuose struktūrų formavimosi prigimtis iki šiol nėra visiškai aiški.

Įgyvendinant šį projektą, bus sukurti nauji matematiniai modeliai, kurie bus taikomi fermentais grįstų mikrobiorektorių ir bakterijų kultūrų kompiuteriniam modeliavimui ir analizei. Taikant kompiuterinį modeliavimą bus nustatytos efektyvios biokatalizinių sistemų konfigūracijos ir bus paaiškintas E. coli bakterijų populiacijų saviorganizavimo mechanizmas.

In this project, two important kinds of open systems will be computationally modelled and investigated: (1) biocatalytical systems, where a large number of microbioreactors are placed in a container filled with liquid,  and (2) systems of active particles like bacteria moving in confined structures. The two kinds of systems are related in a physical sense, but also have important differences. Biocatalytical systems can be considered as systems of immobile  (passive) colloidal particles. In contrast, living bacteria are capable of self-propulsion, and thus may exhibit peculiar behaviour like collective motion, resulting in patterns of  self-organisation. 

Microbioreactors with enzymes or microbial cells as biocatalysts are widely used in patient care and drug development as diagnostic and analytical tools, in chemical production on an industrial scale, and in other applications. They permit the use of very small volumes of samples and catalysts, allow for reduced costs, shorter analysis times, and system compactness.  With the aid of mathematical and computer tools, the efforts to  design and optimize bioprocesses and bioreactors can be remarkably reduced. These tools often allow to observe various processes, including the behaviour of microorganisms, inside devices that  are not accessible by existing measurement technology.

The movement of cells as active particles in response to chemical gradients, called chemotaxis, is important for guiding cell migration, embryogenesis, cancer metastasis etc. Since 1970s mathematical modelling is a key tool to support the understanding of chemotaxis. Recently, it was shown that the chemotaxis model can be transferred from the microbiological world to Janus colloids, where dynamic clustering as observed in experiments is still elusive. 

During this project, new models will be developed and applied for the simulation and analysis of enzyme-based microbioreactors and bacterial cultures. By using numerical simulations, the efficient configurations of  biocatalytic systems will be identified and self-organization of populations of E. coli bacteria will be qualitatively characterized.