[論文レビュー] Computational Fluid Dynamic Approach for Biological System Modeling

Weidong Huang, Chundu Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2005

Wastewater Treatment and Nitrogen Removal参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、反応物の輸送と反応速度論を統合する Computational Fluid Dynamics (CFD) アプローチを提案し、反応速度論的データが不十分なため従来の速度論モデルに制限がある生物系をモデル化する。この CFD-速度論モデルは、微生物が有機基質を代謝する際の空間的不均一性と質量移動効果を捉えることができ、生物廃水処理系に適用した結果、純粋な速度論モデルに比べて精度と現実性に優れた性能を示した。

ABSTRACT

Various biological system models have been proposed in systems biology, which are based on the complex biological reactions kinetic of various components. These models are not practical because we lack of kinetic information. In this paper, it is found that the enzymatic reaction and multi-order reaction rate is often controlled by the transport of the reactants in biological systems. A Computational Fluid Dynamic (CFD) approach, which is based on transport of the components and kinetics of biological reactions, is introduced for biological system modeling. We apply this approach to a biological wastewater treatment system for the study of metabolism of organic carbon substrates and the population of microbial. The results show that CFD model coupled with reaction kinetics is more accurate and more feasible than kinetic models for biological system modeling.

研究の動機と目的

• 反応速度論的データが不十分なため、系統生物学における従来の速度論モデルの現実的でない側面を是正すること。
• 輸送現象（拡散、対流）が、特に酵素反応および多次反応の反応速度をどのように支配するかを調査すること。
• 流体力学と生化学的反応速度論を結合する CFD を用いたモデリングフレームワークを構築すること。
• 実際の生物学的システムである、微生物集団と有機炭素代謝を示す廃水処理反応器において、その手法を検証すること。

提案手法

• CFD モデルは、質量および運動量の保存則を用いて、流体の流れ、物質輸送（例：基質、微生物集団）、反応速度をシミュレートする。
• 酵素反応および多次反応の速度則に基づき、Michaelis-Menten およびべき乗則速度論を用いて、CFD フレームワークに反応速度論を統合する。
• 各成分について、ナビエ＝ストークス方程式と対流拡散反応方程式を連成して解く。
• 空間的離散化を適用して、反応器領域内の濃度勾配および流れの不均一性を解像する。
• 流体の力学的効果による微生物集団および基質の供給の非均一分布をシミュレーションに組み込む。
• 実際の生物廃水処理系からの実験データと照合して、モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反応速度論的パラメータが不完全または不明な場合、CFD を用いたモデリングは生物学的システムのシミュレーション精度を向上させ得るか？
• RQ2 輸送現象（拡散、対流）が生物学的システムにおける酵素反応および多次反応の反応速度に、どの程度影響を及えるか？
• RQ3 基質および微生物の分布における空間的不均一性が、廃水処理反応器内の代謝活動にどのように影響するか？
• RQ4 純粋な速度論モデルに比べ、CFD-速度論の結合は微生物集団の動態および基質の分解をよりよく予測できるか？

主な発見

• CFD-速度論モデルは、生物的廃水処理系における有機炭素の分解をシミュレートする際、従来の速度論モデルよりも高い精度を示した。
• 輸送制限が、特に混合が不十分または基質消費が著しい領域で反応速度に顕著な影響を及えた。
• 基質および微生物濃度の空間的勾配が効果的に捉えられ、反応器全体にわたる非均一な代謝活動が明らかになった。
• モデルは、微生物集団の動態および基質除去効率の実験的傾向をうまく再現した。
• 流体力学と反応速度論の統合により、複雑な生物学的システムのより現実的で現実的な表現が可能になった。