nemlineáris dinamika, oszcilláció, mintázatképződés kémiai és biológiai rendszerekben
Keywords in English
nonlinear dynamics, oscillation, pattern formation in chemical and biological systems
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Department of Physical Chemistry (University of Debrecen)
Starting date
2010-02-01
Closing date
2014-01-31
Funding (in million HUF)
7.848
FTE (full time equivalent)
1.48
state
closed project
Summary in Hungarian
A FUNCDYN (Funkcionális dinamika komplex kémiai és biológiai rendszerekben) az Európai Tudományos Alap (ESF) által támogat Kutatási Együttműködési Program. Célja olyan biológiai rendszerek vizsgálata, amelyekben a dinamikai jelenség a biológiai funkció lényeges eleme. Az élő rendszerekhez dinamikai szempontból hasonló kémia rendszerek vizsgálata szintén fontos részét képezik a FUNCDYN céljainak. Kutatócsoportom a kezdetektől (2006) részt vesz a Programban. Globálisan csatolt elektrokémiai oszcillátorok dinamikáját viszgáltuk és jellemeztük a szinkronizált állapot kialakulását. Jelen pályázattal azokhoz a kutatásokhoz szeretnék támogatást elnyerni, amelyek lehetővé tennék további részvételünket a FUNCDYN programban (2011-ig), valamint segítenének folytatni sikeres együttműködéseinket nemzetközi partnereinkkel. Kutatási terveink növekvő komplexitás szerint a következők: i) elektrokémiai oszcillátorok dinamikájának kísérleti és numerikus vizsgálata késletett visszacsatolás hatása alatt, amely határciklusokhoz rendelhető biritmikusság megjelenését eredményezheti; egy új dinamikai jelenség, amelyet elméletileg jósoltak meg, ii) reakció-diffúzió rendszerekben kialakuló önreprodukáló (osztódó) és egyéb mintázatok képződésének kísérleti viszgálata és modellezése, és iii) nemlineáris populációs-farmakokinetikai modellek alkalmazása a ribavirin adagolás optimalizálására hepatitis C vírussal fertőzött betegek esetében, különös tekintettel a krónikus vesebetegségben szenvedőkre.
Summary
FUNCDYN (Functional dynamics in complex chemical and biological systems) is a Research Networking Programme supported by the European Science Foundation. The intention of the Programme is to promote investigations on the dynamics of biological systems, where the behaviour in itself is part of the function. Studies of chemical systems that are dynamically similar to living systems are equally within the scope of FUNCDYN. My research group has been participating in the Programme since its start in 2006. We have studied the dynamics of globally coupled arrays of electrochemical oscillators, and characterized the emergence of synchrony. With this proposal, I would like to gain support for research programs that would allow our continued participation in FUNCDYN (run until 2011) and would help us maintaining our vivid cooperation with our international partners. Our research plans in the order of complexity are the followings: i) study experimentally and numerically the effect of delayed-feedback on electrochemical oscillators that might lead to the emergence of birhythmicity of limit cycles; a new dynamical behaviour predicted by theoreticians, ii) modelling and experimental investigation on the dynamics of self-replicating and other patterns appearing in reaction-diffusion systems, and iii) application of nonlinear population pharmacokinetic models in order to optimise the dosing of ribavirin for patients infected with hepatitis C, especially those with chronic kidney disease.
Final report
Results in Hungarian
A kutatási tervekkel összhangban az alábbi eredményeket értük el:
1. Elektrokémiai oszcillátorok dinamikája
a) A réz-o-foszforsav elektrokémiai oszcillátor vizsgálatával az első kísérleti bizonyítékot szolgáltattuk arra, hogy késleteltett visszacsatolás hatására bi- ill. triritmicitás alakulhat ki.
b) Kísérletesen igazoltuk az áramoszcilláció frekvenciája és a forgó-korongelektród forgási sebessége közötti, korábban levezetett elméleti összefüggés érvényességét.
c) Review cikket jelentettünk meg „Dynamic Instabilities in Electrochemical Processes” címmel a Handbook of Solid State Electrochemistry 2. kötetében.
d) A fémek elektrokémiai oldódásakor kialakuló háromdimenziós komplex mintázatok dinamikáját a legkorszerűbb numerikus módszerekkel modelleztük.
2. Mintázatok képződése reakció-diffúzió rendszerekben
Membránreaktor alkalmazásával vizsgáltuk a mintázatképződés dinamikáját a ferrocianid-jodát-szulfit rendszerben. Elsőként sikerült megmutatni, hogy a mintázatképződés két egymást követő lépés: rügyezés és elágazás eredménye.
3. A ribavirin adagolás optimalizálása hepatitis C vírussal fertőzött betegek esetében
Klinikai vizsgálataink eredményei arra utalnak, hogy állandó kontroll mellett (a plazma ribavirin szintjének monitorozása) a csökkentett dózisú ribavirin kielégítő biztonsággal és jó hatékonysággal adagolható beszűkült vesefunkciójú betegek esetében is.
Results in English
In accordance with the research plan, the following results have been achieved:
1. Dynamics of electrochemical oscillators
a) We have reported the first experimental evidence on delayed-feedback induced bi- and trirhythmicity by studying the oscillatory electrodissolution of copper.
b) We have experimentally verified the theoretically predicted dynamical relationship for the effect of rotation rate on the frequency of electrochemical oscillations.
c) We have published a review article, titled „Dynamic Instabilities in Electrochemical Processes” in the Handbook of Solid State Electrochemistry, Volume 2.
d) We have numerically modeled the complex patterns appearing during the electrodissolution of metals.
2. Pattern formation in reaction-diffusion systems
We have studied the dynamics of pattern formation in the ferrocyanide-iodate-sulfite system applying a membrane reactor. It has been shown the first time that the pattern formation is the result of two subsequent steps: budding and branching.
3. Optimalization of ribavirin dosing for patients with chronic HCV infection
Results of our clinical studies indicate that under constant control (that is a regular monitoring the plasma ribavirin level) a decreased dosing can be safely and efficiently applied to HCV patient with renal disease.
Timea Nagy, Erika Verner, Vilmos Gáspár, Hiroshi Kori, and István Z. Kiss: Delayed feedback induced multirhythmicity in the oscillatory electrodissolution of copper, Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science 25, 064608 (2015); doi: 10.1063/1.4921694, 2015
Kiss IZ; Nagy T; Gáspár V: Dynamical Instabilities in Electrochemical Processes, pp. 125-178 in: Handbook of Solid State Electrochemistry: Vol. 2., Ed.: Kharton VV, Wiley-VCH, Weinheim, ISBN-10: 3-527-32638-3, 2011
Nagy T; Gáspár V; Kori H; Kiss IZ: Delayed-Feedback Induced Multirhythmicity in the Oscillatory Electrodissolution of Copper, Gordon Research Conferences on “Oscillations and Dynamic Instabilities in Chemical Systems,” Il Ciocco, Barga, Italy, (Poster), 2010
