Algoritmi e automi biomolecolari

Data inizio
1 ottobre 2005
Durata (mesi) 
12
Dipartimenti
Informatica
Responsabili (o referenti locali)
Manca Vincenzo

Il progetto di ricerca intende sviluppare l'analisi di due tematiche, rispettivamente di calcolo biomolecolare e di biologia computazionale, per conseguire approfondimenti e risultati che pongano le basi per la costruzione e sperimentazione di algoritmi su DNA e modelli simbolici di dinamiche cellulari e biochimiche piu' maturi di quelli disponibili allo stato attuale dell'arte.
I temi su cui si focalizzera' la ricerca si possono specificare come segue:
- analisi algoritmico/informazionale e applicazione di tecniche PCR per l'amplificazione del DNA;
- formalizzazione e applicazione di modelli basati su calcolo a membrana per la caratterizzazione di reti di trasduzione di segnale biochimico e biomolecolare.

Il primo tema si colloca nel quadro del DNA Computing e piu' in generale del Calcolo Molecolare, un paradigma di calcolo emerso recentemente e che ha gia' ottenuto un ampio consenso internazionale e ha avuto uno straordinario effetto sinergico tra settori scientifici diversi, nonche' operato un profondo rinnovamento su temi di ricerca tradizionali. I risultati raggiunti finora in questo campo sanciscono l'efficacia computazionale di diversi modelli di calcolo molecolare e, per alcuni di essi, l'universalita' in termini di generazione di linguaggi formali.
La volonta' di avere modelli teorici vicini alla fattibilita' sperimentale biologica ha portato allo studio di numerose varianti dei principali modelli. Recentemente l'Unita' di Verona ha avviato una collaborazione particolarmente attiva con la Sezione di Immunologia operante presso il Dipartimento di Patologia Generale della Facolta' di Medicina e Chirurgia dell'Universita'. Il tema d'indagine trattato col gruppo di biologia molecolare consiste nella ricerca di metodi innovativi di analisi e trattamento di dati biomolecolari. Sul versante del calcolo molecolare, con i ricercatori dell'unita' di medicina si sta studiando la definizione, caratterizzazione e realizzazione 'in vitro' di un algoritmo di raffinazione di sequenze di DNA basato su tecniche PCR (Polymerase Chain Reaction) il quale, se adoperato su larga scala, determinerebbe un drammatico abbattimento delle difficolta' e dei costi di realizzazione del clonaggio di DNA in laboratorio. I primi risultati di questa attivita' sono particolarmente incoraggianti e pronti per il passaggio alla fase di pubblicazione.
Il secondo tema trae spunto dall'aumento d'interesse suscitato, soprattutto negli ultimi anni, da quel complesso di discipline che ricollocano la varietà dei fenomeni biomolecolari, tradizionalmente trattati secondo un approccio di tipo descrittivo e sperimentale, all'interno di una metodologia che include la presenza di metodi formali in grado di motivarne quanto più accuratamente l'aspetto descrittivo/sperimentale.
La transizione avvenuta in questi anni verso la cosiddetta era post-genomica è essa stessa dimostrazione della grande utilità che un approccio di tipo formale e computazionale ai fenomeni biomolecolari sta avendo nel complementare, in modo via via meno ancillare, la biologia molecolare classica. Ancora, l'ingresso all'era post-genomica ha posto una serie di problematiche di grande novita' il cui comun denominatore pare essere la necessità di scoprire i modi in cui l'informazione racchiusa nel DNA delle specie viventi riesca a esprimersi come momento di una complessa evoluzione di tipo dinamico che ha luogo in un essere vivente, la quale coinvolge molteplici aspetti di tipo sistemico all'interno del suo organismo.
Nel contesto della molteplicità di approcci alle problematiche appena descritte, in questo progetto di ricerca si perseguira' una strategia di tipo algoritmico formale, per certi aspetti innovativa rispetto agli approcci esistenti, con la quale si mira a riprodurre la dinamica di un sistema partendo da una sua formalizzazione di tipo astratto. Tra i costrutti che mirano precisamente ad esprimere la struttura della cellula e i meccanismi che in essa hanno luogo considereremo i P system, sistemi formali specificatamente pensati per riprodurre gli aspetti strutturali e di comunicazione più rilevanti della cellula. Basilari, nei P system, sono la nozione di compartimentalizzazione dei calcoli all'interno di singole membrane, in analogia a quanto avviene in una cellula a livello di reazioni biochimiche, e l'insieme di principi che regolano le modalità in cui avviene la riscrittura simbolica all'interno di ciascuna membrana. La flessibilità fornita dal costrutto in sè si e' rapidamente tradotta in una fioritura di varianti del P system originale, computazionalmente idem potenti ma intrinsecamente più adatte rispetto ad altre a rappresentare specifiche caratteristiche della cellula e fenomeni che hanno luogo in essa: permeabilità, polarizzazione, catalisi, trasporto, comunicazione transmembrana, priorità, attività di promozione e inibizione, consumo di energia.
Con i ricercatori dell'unita' di medicina e' stata studiata la fisiopatologia cellulare e molecolare dei processi infiammatori attraverso una sua caratterizzazione in forma di regole di riscrittura. I lusinghieri risultati conseguiti in questa specifica ricerca di biologia computazionale applicata invitano a proseguire nell'indagine di questi processi, generalizzandola allo studio di aspetti quali la dipendenza della loro dinamica dalle variazioni di concentrazione dei reagenti biochimici, la robustezza rispetto a queste stesse variazioni, la possibilita' di dedurre proprieta' qualificanti da una loro caratterizzazione di tipo topologico facendo uso delle strutture dati tipiche dell'informatica. Parallelamente, con gli stessi ricercatori di medicina si intende perseguire un approccio di biologia computazionale per l'identificazione e l'analisi di reti di molecole implicate nella trasduzione del segnale regolante l'adesione ed il movimento integrine-dipendente in cellule normali e leucemiche.

Partecipanti al progetto

Giuseppe Scollo

Attività

Strutture