1. Celostni model vpliva cikličnega gvanozin monofosfata na molekularne mehanizme znotrajcelične kalcijeve signalizacije v gladkih mišičnih celicah arterij : magistrsko deloKatarina Meštrović, 2025, magistrsko delo Opis: V magistrski nalogi preučujemo molekularne mehanizme vpliva cikličnega gvanozin monofosfata (cGMP) na kalcijevo (Ca2+) signalizacijo v gladkih mišičnih celicah (GMC) arterij ter posledično na njihovo kontrakcijo oziroma relaksacijo. Obstoječi fizikalno-matematični model, ki vsebuje šest mehanizmov, preko katerih cGMP posredno ali neposredno vpliva na signal Ca2+, nadgradimo z dvema dodatnima mehanizmoma delovanja cGMP. To sta vpliv cGMP na od Ca2+ odvisne klorove (Cl-) kanale (ClCa), ki se nahajajo v celični membrani, in na črpalke za Ca2+ v membrani sarkoplazemskega retikuluma (SERCA). Študij vpliva cGMP na ClCa je zanimiv predvsem zaradi razlik med tipi teh kanalov v pljučni in mezenterični arteriji. Mezenterična arterija vsebuje dva tipa ClCa kanalov: od cGMP neodvisne ClCa in od cGMP odvisne ClCa (ClCacGMP), medtem ko pljučna arterija vsebuje zgolj od cGMP neodvisen tip teh kanalov (ClCa). S fizikalno-matematičnim modelom za oba tipa arterij simuliramo učinek cGMP na signal Ca2+ v GMC, ki se lahko izraža v obliki oscilacij ali stacionarnega stanja ter določimo povprečno koncentracijo Ca2+ v citoplazmi, ki odraža stopnjo kontrakcije. Poleg tega preučujemo tudi vpliv cGMP na SERCA. Rezultati simulacij kažejo, da visoka koncentracija cGMP v modelu, ki vključuje ClCacGMP, privede do povišane povprečne znotrajcelične koncentracije Ca2+. To se zgodi pri koncentracijah nad 10 µM. Nasprotno pa v modelu brez kanalov ClCacGMP višanje koncentracije cGMP zniža povprečno znotrajcelično koncentracijo Ca2+, kar je skladno s pričakovanji glede relaksacijskega učinka pri visokih koncentracijah cGMP. Iz simulacij je tudi razvidno, da je kanal ClCacGMP zaradi svoje večje občutljivosti na Ca2+ pri visokih koncentracijah cGMP odgovoren za povečan vstop Ca2+ v celico, kar povzroči višjo koncentracijo citosolnega Ca2+ v mezenterični arterij.
Ključne besede: gladka mišična celica, ciklični gvanozin monofosfat, od kalcija odvisni klorovi kanali, pljučna arterija, mezenterična arterija, kalcijeva signalizacija, fizikalno-matematični model
Objavljeno v DKUM: 08.05.2025; Ogledov: 0; Prenosov: 8
 Celotno besedilo (2,50 MB) |
2. Modeliranje in večnamenska optimizacija pridobivanja energije in koristnih produktov iz organskih odpadkov na osnovi anaerobne razgradnje : doktorska disertacijaTina Kegl, 2022, doktorska disertacija Opis: Tehnologije z uporabo anaerobne razgradnje imajo pomembno vlogo pri zmanjševanju odpadkov in izpustov toplogrednih plinov v ozračje ter pri proizvodnji energije iz obnovljivih virov. Gre za kompleksno in večplastno temo, ki jo obravnava doktorska disertacija.
V tej disertaciji je predstavljen razvoj novega fizikalno matematičnega BioModela za simulacijo in optimizacijo procesa anaerobne razgradnje organskih odpadkov. Prav tako je pozornost namenjena določanju neznanih ali težko določljivih parametrov BioModela. Posebej so izpostavljene vpeljane novosti na področju modeliranja in optimizacije tako parametrov BioModela kot tudi procesa anaerobne razgradnje, ki predstavljajo izviren prispevek doktorske disertacije k znanosti. Novosti se nanašajo na (i) upoštevanje dnevno spremenljive sestave vhodnega kompleksnega substrata in dnevno spremenljivih procesnih pogojev v bioreaktorju, (ii) modeliranje razgradnje ogljikovih hidratov, lipidov in proteinov ob delovanju 3 vrst hidrolitičnih encimov in 13 različnih vrst acetogenih, acidogenih in metanogenih bakterij, pri čemer imajo pomembno vlogo različni inhibitorji, ki zavirajo rast in delovanje posameznih vrst bakterij, (iii) modeliranje procesov disociacije-asociacije, precipitacije in prenosa mase iz tekoče v plinasto fazo, (iv) upoštevanje sestave bioplina iz CO2, CH4, H2, H2S, NH3 in vodne pare, (v) določanje trenutnega pH brez dolgotrajnih iteracij, (vi) vpeljavo temperaturno in pH odvisnih parametrov, (vii) modeliranje aktivnosti bioloških in anorganskih aditivov, (viii) razvoj novega optimizacijskega postopka z naborom aktivnih spremenljivk za kalibracijo prametrov BioModela in (ix) vpeljavo aproksimacijskega gradientnega algoritma v postopek optimizacije. Celotna programska koda za modeliranje in optimiranje procesa anaerobne razgradnje je razvita v objektnem programskem jeziku C#. Za nadaljnjo uporabo CO2 iz bioplina in še iz nekaterih drugih točkovnih virov je s pristopom mešanega celoštevilskega nelinearnega programiranja razvit konceptualni model za optimizacijo celotnega oskrbovalnega omrežja CO2, od zajemanja, skladiščenja do uporabe CO2 za proizvodnjo metanola. Za nadaljnjo uporabo CH4 iz bioplina kot goriva v dvogorivnih dizelskih motorjih je narejena kritična analiza vpliva uporabe nanodelcev kot aditivov h gorivu. Prav tako je predstavljena analiza uporabe nanodelcev kot adsorbentov za odstranjevanje kovin iz odpadnih voda z namenom odstranjevanja težkih kovin in nutrientov iz tekočega digestata.
Rezultati numeričnih simulacij procesa anaerobne razgradnje potrjujejo zanesljivost novo razvitega BioModela in učinkovitost tako novo razvitega postopka za kalibracijo parametrov kot tudi optimizacijskega gradientnega algoritma z aproksimacijsko metodo. Na osnovi opravljenih raziskav na področju nadaljnje obdelave produktov procesa anaerobne razgradnje pa lahko zaključimo, da z ustrezno kombinacijo tehnologije anaerobne razgradnje, tehnologije zajemanja, skladiščenja in uporabe CO2 ter nanotehnologije lahko prispevamo k zmanjšanju onesnaževanja okolja.
Ključne besede: anaerobna razgradnja, fizikalno-matematični model, gradientni optimizacijski algoritem, kalibracija modelnih parametrov, oskrbovalno omrežje CO2, nanotehnologija
Objavljeno v DKUM: 05.10.2022; Ogledov: 1295; Prenosov: 995
Celotno besedilo (39,79 MB) |
3. Modeliranje imunskega odziva na okužbo z organizmom Pneumocystis jirovecii : magistrsko deloDarin Lah, 2022, magistrsko delo Opis: Pneumocystis jirovecii ali krajše pnevmocista je mikroorganizem, uvrščen v kraljestvo gliv, ki pri imunokompromitiranih bolnikih ob oportunistični okužbi povzroči pnevmocistično pljučnico (PJP). Imunski odziv gostitelja ima ključno vlogo pri razvoju poteka bolezni. V magistrskem delu preučujemo imunski odziv na okužbo z organizmom Pneumocystis jirovecii in razvijemo fizikalno-matematični model, s katerim opišemo imunski odziv na okužbo pri imunokompetentnem in imunokompromitiranem gostitelju, okuženim s HIV. Pri razvoju modela upoštevamo naslednje celične populacije: okužene in neokužene celice pljučnega epitelija, alveolarne makrofage, limfocite B in CD4+T ter rekrutirane makrofage, ki se preobrazijo iz monocitov. Kot posrednike informacij med celicami in regulatorje celičnih interakcij upoštevamo dve vrsti citokinov. V modelu definiramo modelno stanje imunokompetentnega in tri različna modelna stanja imunokompromitiranega gostitelja. Model imunskega odziva sklopimo s standardnim dvoshrambnim farmakokinetičnim modelom peroralnega doziranja antibiotika sulfametoksazol/trimetoprim (SMX/TMP). Simuliramo različne klinično relevantne sheme doziranja SMX/TMP, s katerimi v klinični praksi preprečujejo ali zdravijo PJP. Osredotočimo se na simulacije časovnih potekov koncentracije pnevmociste v vseh definiranih modelnih stanjih z učinkovanjem ali brez učinkovanja antibiotika SMX/TMP. Rezultati modelnih simulacij kažejo, da v vseh modelnih stanjih koncentracija pnevmociste ob okužbi strmo naraste do maksimalne vrednosti in se nato ustali na nižji stacionarni vrednosti, ki se bistveno razlikuje med modelnimi stanji imunokompetentnega in imunokompromitiranega gostitelja. Na podlagi modelnih simulacij, v katere vključimo učinkovanje antibiotika, sklepamo, da s preventivnim načinom zdravljenja učinkovito preprečimo okužbo s pnevmocisto. Modelne simulacije zdravljenja PJP s pogostejšim doziranjem antibiotika kažejo, da pri zdravljenju populacijo pnevmociste hitro in uspešno zatremo v nekaj dneh.
Ključne besede: Pneumocystis jirovecii, imunski odziv, imunska pomanjkljivost, antibiotik, fizikalno-matematični model.
Objavljeno v DKUM: 20.09.2022; Ogledov: 2177; Prenosov: 81
Celotno besedilo (2,04 MB) |
4. Analiza toplotnih izgub na sistemu daljinskega ogrevanja : diplomsko deloLuka Verbančič, 2018, diplomsko delo Opis: Pregled učinkovitosti obratovanja sistemov daljinskega ogrevanja temelji na poznavanju energijskih tokov. Za izvedbo analize stanja, ki omogoča določitev pomanjkljivosti energetskega sistema, je treba najprej postaviti fizikalno–matematični model, analiza stanja pa se nato izvede na podlagi meritev temperatur in pretokov. V diplomskem delu je predstavljen način za postavitev modela, ki omogoča analizo toplotnih tokov na sistemu daljinskega ogrevanja.
Zaradi kompleksnosti ter obsežne narave takšnih sistemov je bila modelacija izvedena s pomočjo programske opreme Microsoft Excel. Modeliran je bil primarni tokokrog ene veje daljinskega ogrevanja v Mestni občini Ptuj. Postavitev modela zahteva geometrijske lastnosti cevovoda, sam izračun pa temelji na teoriji prenosa toplote in mehanike tekočin.
Izdelan program daje vpogled v pretočno–tlačne razmere primarnega tokokroga ter toplotne tokove v stacionarnem stanju sistema. Nestacionarno stanje sistema lahko upodobimo s simulacijo zaporedja kratkotrajnih stacionarnih sosledij. Na podlagi rezultatov metode opisane v tem delu lahko izvedemo analizo za določitev šibkih točk na sistemu daljinskega ogrevanja. V okviru tega diplomskega dela takšne analize toplotnih izgub žal nismo mogli izvesti, saj bi potrebovali več meritev in podatkov, kot smo jih imeli na razpolago.
Ključne besede: toplotne izgube, daljinsko ogrevanje, fizikalno–matematični model, primarni tokokrog
Objavljeno v DKUM: 08.11.2018; Ogledov: 1406; Prenosov: 160
Celotno besedilo (7,92 MB) |
5. Optimizacija produkcije entropije in Shannonove informacijske entropije v encimskih reakcijahAleš Vunjak, 2016, diplomsko delo Opis: Odprti reakcijski sistemi med relaksacijo teţijo v neravnovesno stacionarno stanje. Takšni sistemi so v naravi zelo pogosti. Še najbolj znani so biokemijski procesi v bioloških celicah. Za analizo takšnih sistemov se je v zadnjih desetletjih vse bolj uveljavil princip maksimalne produkcije entropije (princip MPE). V tem diplomskem delu s principom MPE raziskujemo encimsko reakcijo kot primer odprtega neravnovesnega sistema v biološki celici. S principom MPE študiramo, ali encimska reakcija v stacionarnem stanju poteka ob pogoju maksimalne produkcije entropije. Optimizacijski postopek produkcije entropije za encimsko reakcijo, ki ga uporabljamo v diplomskem delu, so razvili raziskovalci Oddelka za fiziko na Fakulteti za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru. Optimizacijski postopek omogoča teoretične napovedi optimalnih kinetičnih konstant encima, izkoristka reakcije, toka reakcije in termodinamske sile reakcije v stanju z maksimalno produkcijo entropije. Teoretične napovedi modela primerjamo z eksperimentalnimi podatki izmerjenimi za encim glukoza izomeraza [25, 26]. Tako preverjamo veljavnost principa MPE na primeru encimske kinetike. Za reakcijo smo izračunali tudi Shannonovo informacijsko entropijo, ki je v stacionarnem stanju prav tako maksimalna. Izračunana maksimalna vrednost Shannonove informacijske entropije v stanju z maksimalno produkcijo entropije morda nakazuje, da princip MPE opisuje statistično najbolj verjetna neravnovesna stacionarna stanja v odprtih reakcijskih sistemih.
Ključne besede: encimska reakcija, maksimalna produkcija entropije, Shannonova informacijska entropija, fizikalno - matematični model, optimizacija, glukoza izomeraza
Objavljeno v DKUM: 19.09.2016; Ogledov: 1852; Prenosov: 172
Celotno besedilo (979,06 KB) |
6. |
