Entropie, een maat voor de moleculaire wanorde of willekeur van een systeem, is essentieel voor het begrijpen van de fysieke samenstelling van een systeem. In complexe fysieke systemen, de interactie van interne elementen is onvermijdelijk, waardoor entropieberekening een rekenkundig veeleisende, en vaak onpraktisch taak. De neiging van een goed gevouwen eiwit om te ontrafelen, bijvoorbeeld, kan worden voorspeld met behulp van entropieberekeningen.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe studie van de Universiteit van Tel Aviv stelt een radicaal eenvoudige en efficiënte manier voor om entropie te berekenen - en het bestaat waarschijnlijk op je eigen computer.

"We hebben een manier ontdekt om entropie te berekenen met behulp van een standaard compressie-algoritme zoals de zip-software die we allemaal op onze computers hebben, ", legt prof. Roy Beck van de TAU's School of Physics and Astronomy uit. "Supercomputers worden tegenwoordig gebruikt om het vouwen of verkeerd vouwen van eiwitten in zieke toestanden te simuleren. Onze studie toonde aan dat door gebruik te maken van een standaard compressiealgoritme, we kunnen nieuwe inzichten verschaffen in de fysieke eigenschappen van deze eiwitten door hun entropiewaarden te berekenen met behulp van een compressie-algoritme.

"Het vermogen om entropie te berekenen voldoet aan een dringende behoefte om de ongelooflijke kracht van computersimulaties te benutten om dringende, tijdige problemen in wetenschap en geneeskunde, "Prof. Beck voegt eraan toe.

Het onderzoek werd geleid door Prof. Beck en uitgevoerd door TAU Ph.D. studenten Ram Avinery en Micha Kornreich. Het is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 22 oktober.

Volgens prof. Beck, het onderzoek kent eindeloze toepassingen. Van biomedische simulaties tot fundamenteel onderzoek in de natuurkunde, scheikunde of materiaalkunde, het nieuwe algoritme zou eenvoudig te gebruiken zijn op elke computer.

"Een middelbare scholier gebruikte ons concept om de entropie van een complex fysiek systeem te berekenen - het XY-model, " zegt Prof. Beck. "Hoewel dit wordt beschouwd als een uitdagend probleem met betrekking tot entropie, de student volbracht het met zeer weinig begeleiding. Dit laat zien hoe gemakkelijk deze methode door bijna iedereen kan worden gebruikt om zeer interessante problemen op te lossen."

Het idee voor de computationele methode ontstond toen de studenten van Prof. Beck, Avinery en Kornreich, entropie besproken vanuit het oogpunt van informatietheorie. Ze vroegen zich af hoe goed dit idee in de praktijk zou werken in plaats van in theorie.

"Ze simuleerden een paar standaard fysieke systemen met entropiewaarden waarmee ze kunnen vergelijken, " zegt prof. Beck. "Al snel ontdekten ze dat de bestandsgrootte van simulatiegegevens na compressie stijgt en daalt, precies zoals de verwachte entropie zou moeten doen. Kort daarna, ze realiseerden zich dat ze de gecomprimeerde bestandsgrootte konden omzetten in een bruikbare waarde - de fysieke entropie. Verrassend genoeg, de eenvoudige conversie die ze gebruikten was geldig voor alle bestudeerde systemen."

De onderzoekers breiden momenteel de toepassing van hun methodologie uit naar een brede en gevarieerde selectie van systemen.

"Sinds we begonnen te werken en te praten over ons werk, we zijn benaderd door veel onderzoekers uit zeer verschillende vakgebieden, ons vragen om hen te helpen de entropie uit hun gegevens te berekenen, " concludeert prof. Beck. "Voor nu, we concentreren ons op simulatie van eiwitvouwing, een actueel en urgent onderwerp dat enorm kan profiteren van onze ontdekking."