Responsabile:
Andrea Ciliberto

Programma di Ricerca:
biologia cellulare computazionale

La matematica della cellula
La cellula è un sistema estremamente complesso. I meccanismi che ne regolano la nascita, il ciclo vitale, la morte e il funzionamento (sia inteso come funzionamento globale del "mondo" cellula, sia inteso come funzionamento di singoli organelli o comparti) in condizioni normali o patologiche sono numerosissimi e altamente interattivi. Sono infatti in grado di "leggere" gli stimoli provenienti dall'ambiente esterno e da quello interno, di elaborarli e di reagire a essi. L'insieme di tutti questi meccanismi forma una sorta di rete diffusa di molecole che ha un ruolo di ricezione, elaborazione e trasmissione di segnali. Cioè un ruolo computazionale, che non può essere compreso semplicemente in modo intuitivo.

Presentazione del programma

Il programma diretto da Andrea Ciliberto si concentra sulla traduzione in termini matematici delle reti di interazione e regolazione molecolare della cellula. “L’idea – dice Ciliberto – è di simulare con la matematica e con il computer alcuni meccanismi studiati in laboratorio.”

Visione tridimensionale di
mitosi cellulare

Un esempio? “Se mettiamo un batterio in una soluzione con una sorgente di zuccheri – spiega il giovane scienziato – il batterio si muove verso lo zucchero e, una volta arrivato dove la concentrazione è massima, si ferma. Il batterio in pratica capisce in che direzione andare e anche dove ‘non gli può andare meglio’. Questa, che si chiama ‘chemiotassi cellulare’, è la capacità di ‘leggere’ l’ambiente e di effettuare comparazioni temporali.

Applicato al ciclo cellulare, significa che la cellula è in grado di decidere, prima di dividersi, se c’è nell’ambiente abbastanza nutrimento e se non si sono verificati danni a carico del suo DNA. La cellula cioè ha ‘letto’ sia l’ambiente esterno, sia quello interno, ha fatto una computazione e ha reagito.  Naturalmente questo chiama in causa una complessa rete di molecole che interagiscono tra di loro. L’intenzione è di tradurre queste reti in formalismo matematico, usando leggi fisico-chimiche note, e descrivendo il tutto con sistemi di equazioni differenziali.” Scopo? Attraverso una maggior comprensione dei meccanismi vitali delle cellule, arrivare a identificare quei passaggi critici che, in caso di malfunzionamento, possono determinare l'insorgenza del cancro.

Particolari strumenti o competenze utilizzate nello programma

Il programma di ricerca di Andrea Ciliberto utilizza come strumenti elettivi la matematica ed i computers. La matematica che Ciliberto mette nei suoi algoritmi è quella basata sul calcolo differenziale, ma la quantità di dati oggi disponibili rende necessario l’uso dei calcolatori, per elaborazioni e analisi fino a pochi anni fa impensabili. Il risultato è la cosiddetta “biologia dei sistemi”, una disciplina nuovissima, letteralmente “esplosa” negli ultimi cinque anni. Come per tutte le discipline nuove, e’ difficile definire la biologia dei sistemi, ma estremizzando si possono identificare due approcci diversi.

In un caso, senza un’ipotesi iniziale in mano, si parte da grandi quantità di dati sperimentali (risultati ad esempio delle moderne tecnologie high throughput come i microarrays, un sistema che consente di studiare decine di migliaia di geni contemporaneamente in un tempo molto ridotto) e si può tentare di risalire alla rete di molecole che gli ha generati.

Un altro metodo di lavoro parte da ipotesi ben definite sulla natura di reti di piccole dimensioni, e utilizza dati provenienti dagli esperimenti classici di biologia molecolare e biochimica per verificarne la consistenza con le simulazioni al computer e le analisi matematiche. In tal modo, partendo da piccole porzioni del sistema cellula, si cerca di simulare e descrivere tali singole porzioni per ricomporre a posteriori il “puzzle” cellula. Il gruppo di Ciliberto utilizza prevalentemente questo secondo approccio.

Possibile impatto su prevenzione o trattamento del cancro

L’approccio di questo programma estremamente innovativo potrebbe fornire un quadro dettagliato e rigoroso del “sistema cellula”. “Con la sola intuizione – spiega Ciliberto, biologo da sempre affascinato dalla capacità dei sistemi viventi di interagire con l’ambiente – non si possono capire le complesse reti di interazioni molecolari descritte dai biologi. Con il formalismo matematico, invece, possiamo ottenerne una rappresentazione precisa. Possimao arrivare a prevedere il comportamento di queste reti, e possiamo trovare i parametri critici che consentono di riparare eventuali ‘rotture’ della rete, come quelle che si verificano quando si forma e si sviluppa un tumore.”

Ancora una volta, dunque, l’obiettivo finale è, attraverso una maggior comprensione dei meccanismi fondamentali delle cellule, arrivare a identificare quei passaggi cruciali che, in caso di malfunzionamento, possono determinare l’insorgenza del cancro. Per arrestarlo.

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