AMICI - Skalierbare numerische Simulation und Sensitivitätsanalyse dynamischer Systeme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan Hasenauer
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Softwaretechnik und Programmiersprachen
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443187771

Gewöhnliche Differentialgleichungen (ODE) und Differential-algebraische Gleichungen (DAE) sind wichtige Werkzeuge in den Lebenswissenschaften, Ingenieurwissenschaften und vielen anderen Forschungsbereichen. Sie ermöglichen die integrative Analyse heterogener Daten und dadurch ein verbessertes Verständnis dynamischer Systeme. Die Simulation und Parametrisierung von ODE- und DAE-Modellen erfordert jedoch maßgeschneiderte und einfach zu bedienende Werkzeuge. Um die Parametrisierung immer größerer Modelle zu unterstützen, sind Skalierbarkeit und Performance wesentliche Anforderungen. Zu diesem Zweck haben wir die Forschungssoftware AMICI (Advanced Multi-Language Interface to CVODES and IDAS) entwickelt, die eine effiziente und skalierbare Simulation solcher Modelle ermöglicht. AMICI baut auf der etablierten SUNDIALS Solver C-Bibliothek (Hindmarsh et al., 2005) auf, der eine einfach zu bedienende High-Level-Schnittstelle (Matlab und Python) und eine Vielzahl von zusätzlichen Funktionen bietet, die für Systembiologen sowie Forscher verwandter Fachgebiete relevant sind. AMICI wird bereits in mindestens 15 Forschungsgruppen und ein Unternehmen eingesetzt.Ziel dieses Projektes ist es, die Forschungssoftware AMICI für die Wiederverwendung und mögliche Weiterentwicklung über den ursprünglichen Kontext hinaus zur Verfügung zu stellen und eine Qualitätssicherung durch eine Fachgemeinschaft aufzubauen. Um dies zu erreichen, werden wir die Softwareentwicklung professionalisieren. Wir werden die Schnittstellen von Python, Matlab und C++ harmonisieren und die Benutzerfreundlichkeit, Zugänglichkeit und Gesamtqualität der Codebasis verbessern. Darüber hinaus werden wir die Vielseitigkeit von AMICI erhöhen, indem wir die Unterstützung von etablsierten Standards erweitern und allgemeine Eingabeformate implementieren. Um die benutzerorientierte Entwicklung zu unterstützen, werden wir eine aktive Gruppe von Anwendern aufbauen und durch Schulungen und Entwicklertreffen ausweiten.Um AMICI zu evaluieren und zu verbessern, werden wir damit einen umfassenden Sammlung veröffentlichter Benchmarkprobleme untersuchen. Dazu gehört auch ein in unserem Labor entwickeltes hochdimensionales Modell der Signalverarbeitung in Tumorzellen. Da AMICI es ermöglicht Vorwärts- und Rückwärtsprobleme für großskalige biochemische Prozesse zu untersuchen, wird dieses Projekt - über die reine Software- und Methodenentwicklung hinaus - zu neuen Erkenntnissen über die zelluläre Signalverarbeitung und möglicherweise auch über Prozesse in anderen Forschungsbereichen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Dr. Fabian Fröhlich