Un viaggio alla scoperta della complessità

9. Complessità e sistemi biologici

di G. Bormetti, C.M. Carloni Calame, G. Montagna, N. Moreni, O. Nicrosini, M. Treccani

Esempi di complessità si trovano anche in biologia. Un caso interessante è l’alfabeto della vita. Cosa sappiamo?

scienzapertutti_schema_sequenza_amminoacidi

Le lettere fondamentali sono 4: A (Adenina), C (Citosina), G (Guanina) e T (Timina).

Il nostro DNA è una lunga sequenza di circa 3 miliardi di lettere, ma bisogna imparare a leggerle nel modo corretto.

Oggi sappiamo che le parole giuste sono quelle composte da tre lettere. Quante ne riuscite a costruire usando solo le lettere A C G e T? 4= 64. Dobbiamo però eliminare dal calcolo 4 combinazioni che corrispondo alle sequenze che comunicano alla cellula di iniziare e terminare la sintesi delle proteine.

Le rimanenti 60 corrispondono solo a 20 aminoacidi icona_glossariodifferenti per cui è chiaro che triplette diverse tra loro possono avere lo stesso significato.

Gli aminoacidi sono i mattoni fondamentali che costituiscono le proteine icona_glossario e che la cellula si preoccupa di assemblare nel modo corretto. Gli scienziati stanno cercando una procedura ottimale per prevedere le funzioni della proteina senza sintetizzarla ma semplicemente leggendo la sequenza di lettere corrispondente. Questo comporterebbe un notevole risparmio di tempo e di risorse. I problemi da affrontare sono tuttavia numerosi.

Solo il 5% del nostro DNA codifica per la sintesi delle proteine. Scoprire dove si nascondono le sequenze “utili” è un po’ come cercare un ago in un pagliaio e si rende necessario qualche stratagemma per semplificare la ricerca. Il problema di riconoscere delle strutture o evidenziare delle caratteristiche all’interno di un a enorme quantità di dati è un tema molto studiato. Nel nostro caso ci viene in aiuto una legge empirica scoperta da G.K. Zipf icona_biografia negli anni ’30 del secolo scorso.

scienzapertutti_grafico_frequenza_rango

Provate a fare questo esperimento! Prendete un testo - un brano tratto da un romanzo di Dickens oppure  da un testo scientifico - leggetelo e riscrivete a parte tutte le parole che vi compaiono. A fianco riportate il numero di volte che le avete incontrate. Naturalmente se il brano è molto lungo potete farvi aiutare in questo lavoro da un calcolatore. Ora mettetele in ordine, dalla più frequente alla più rara: la posizione in questa classifica definisce il rango r della parola. Se adesso riportate in ascissa il rango e in ordinata la frequenza ottenete un grafico simile a quello riportato qui a fianco, che corrisponde alla legge:

scienzapertutti_legge_zipf

dove a è un numero positivo che prende il nome di esponente caratteristico.

Biologia e super-computer

 

scienzapertutti_sequenza_amminoacidi

Recentemente un gruppo di fisici ha scoperto che la stessa legge vale per le regioni di DNA non codificanti. Consideriamo adesso una sequenza AACGTTGCCGTGTAAACTGAC... e decidiamo, ad esempio, che le parole siano composte da 5 lettere. Adesso la nostra sequenza è un testo che possiamo analizzare come fatto nell’esperimento di G.K. Zipf. Con un computer e un po’ di pazienza siamo capaci di scoprire rapidamente dov’è la parte di DNA più interessante.

 

Se il grafico finale corrisponde alla legge di Zipf significa che abbiamo analizzato del DNA inutile per la sintesi delle proteine e possiamo scartare la sequenza. A questo punto osserviamo che questi esperimenti suggeriscono un’ipotesi molto affascinante. La maggior parte del DNA è non codificante ma non per questo necessariamente inutile. Essa condivide le stesse proprietà statistiche di un testo scritto da un essere umano e forse contiene delle informazionie che semplicemente non abbiamo ancora imparato a leggere.

scienzapertutti_sala_computer

Ora che sappiamo come individuare le regioni di DNA interessanti, si pone un secondo problema. Come possiamo capire quali saranno le proprietà delle proteine corrispondenti? I biologi hanno sviluppato delle tecniche molto raffinate per fare leggere agli apparati cellulari preposti le sequenze di basi. Una volta ottenuta la proteina, la sua struttura viene studiata con opportune tecniche cristallografiche per capire quali siano le sue funzioni. Questo procedimento è utile ma comporta dei tempi molto lunghi.

È importante, viste le ripercussioni in ambito medico e la possibilità di sviluppare nuove terapie, accelerare i tempi. La speranza per il futuro è quella che a fare tutte queste operazioni sia un calcolatore, che riceva come input la sequenza di basi e dia come risposta la struttura tridimensionale e le proprietà della proteina. Ma trovare le giuste combinazioni degli aminoacidi richiede grandi risorse di calcolo. A tale scopo sono stati sviluppati sia super-computer dedicati che strutture di calcolo distribuito su scala geografica.

scienzapertutti_configurazione_proteina

Già oggi esistono super-computer che svolgono i numerosissimi calcoli necessari per comprendere come una proteina assuma una determinata configurazione tridimensionale, altamente complessa, come quelle mostrate nella figura accanto. Risolvere questo problema significherebbe capire come una proteina funziona, e questo aprirebbe nuove frontiere alla medicina e alla farmacologia.

 

© 2002 - 2018 ScienzaPerTutti - Grafica Francesca Cuicchio Ufficio Comunicazione INFN - powered by mspweb

NOTA! Questo sito utilizza i cookie e tecnologie simili.

Se non si modificano le impostazioni del browser, l'utente accetta. Per saperne di piu'

Approvo

Informativa sulla Privacy e Cookie Policy

Ultima modifica: 28 maggio 2018

IL TITOLARE

L’INFN si articola sul territorio italiano in 20 Sezioni, che hanno sede in dipartimenti universitari e realizzano il collegamento diretto tra l'Istituto e le Università, 4 Laboratori Nazionali, con sede a Catania, Frascati, Legnaro e Gran Sasso, che ospitano grandi apparecchiature e infrastrutture messe a disposizione della comunità scientifica nazionale e internazionale e 3 Centri Nazionali dedicati, rispettivamente, alla ricerca di tecnologie digitali innovative (CNAF), all’alta formazione internazionale (GSSI) ed agli studi nel campo della fisica teorica (GGI). Il personale dell'Infn conta circa 1800 dipendenti propri e quasi 2000 dipendenti universitari coinvolti nelle attività dell'Istituto e 1300 giovani tra laureandi, borsisti e dottorandi.

L’INFN con sede legale in Frascati, Roma, via E. Fermi n. 40, Roma, email: presidenza@presid.infn.it, PEC: amm.ne.centrale@pec.infn.it in qualità di titolare tratterà i dati personali eventualmente conferiti da coloro che interagiscono con i servizi web INFN

IL RESPONSABILE DELLA PROTEZIONE DEI DATI PERSONALI NELL’INFN

Ai sensi degli artt. 37 e ss. del Regolamento UE 2016/679 relativo alla protezione delle persone fisiche con riguardo al trattamento dei dati, l’INFN con deliberazione del Consiglio Direttivo n. 14734 del 27 aprile 2018 ha designato il Responsabile per la Protezione dei Dati (RPD o DPO).

Il DPO è contattabile presso il seguente indirizzo e.mail: dpo@infn.it

Riferimenti del Garante per la protezione dei dati personali: www.garanteprivacy.it

Il TRATTAMENTO DEI DATI VIA WEB

L'informativa è resa solo per i siti dell'INFN e non anche per altri siti web eventualmente raggiunti dall'utente tramite link.

Alcune pagine possono richiedere dati personali: si informa che il loro mancato conferimento può comportare l’impossibilità di raggiungere le finalità cui il trattamento è connesso

Ai sensi dell'art. 13 del Regolamento UE 2016/679, si informano coloro che interagiscono con i servizi web dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, accessibili per via telematica sul dominio infn.it, che il trattamento dei dati personali effettuato dall'INFN tramite web attiene esclusivamente ai dati personali acquisiti dall'Istituto in relazione al raggiungimento dei propri fini istituzionali o comunque connessi all’esercizio dei compiti di interesse pubblico e all’esercizio di pubblici poteri cui è chiamato, incluse le finalità ricerca scientifica ed analisi per scopi statistici.

In conformità a quanto stabilito nelle Norme per il trattamento dei dati personali dell’INFN e nel Disciplinare per l’uso delle risorse informatiche nell’INFN, i dati personali sono trattati in modo lecito, corretto, pertinente, limitato a quanto necessario al raggiungimento delle finalità del trattamento, per il solo tempo necessario a conseguire gli scopi per cui sono stati raccolti e comunque in conformità ai principi indicati nell’art. 5 del Regolamento UE 2016/679.

Specifiche misure di sicurezza sono osservate per prevenire la perdita dei dati, usi illeciti o non corretti ed accessi non autorizzati.

L’INFN tratta dati di navigazione perché i sistemi informatici e le procedure software preposte al funzionamento di questo sito web acquisiscono, nel corso del loro normale esercizio, alcuni dati la cui trasmissione è prevista dai protocolli di comunicazione impiegati. Questi dati - che per loro natura potrebbero consentire l'identificazione degli utenti - vengono utilizzati al solo fine di ricavare informazioni statistiche anonime sull'uso del sito e per controllarne il corretto funzionamento. Gli stessi potrebbero essere utilizzati per l'accertamento di responsabilità in caso di compimento di reati informatici o di atti di danneggiamento del sito; salva questa eventualità, non sono conservati oltre il tempo necessario all'esecuzione delle verifiche volte a garantire la sicurezza del sistema.

UTILIZZO DI COOKIE

Questo sito utilizza esclusivamente cookie “tecnici” (o di sessione) e non utilizza nessun sistema per il tracciamento degli utenti.

L'uso di cookie di sessione è strettamente limitato alla trasmissione di identificativi di sessione (costituiti da numeri casuali generati dal server) necessari per consentire l'esplorazione sicura ed efficiente del sito. Il loro uso evita il ricorso ad altre tecniche potenzialmente pregiudizievoli per la riservatezza della navigazione e non prevede l'acquisizione di dati personali dell'utente.

DIRITTI DEGLI INTERESSATI

Gli interessati hanno il diritto di chiedere al titolare del trattamento l'accesso ai dati personali e la rettifica o la cancellazione degli stessi o la limitazione del trattamento che li riguarda o di opporsi al trattamento secondo quanto previsto dagli art. 15 e ss. del Regolamento UE 2016/679. L'apposita istanza è presentata contattando il Responsabile della protezione dei dati presso l’indirizzo email: dpo@infn.it.

Agli interessati, ricorrendone i presupposti, è riconosciuto altresì il diritto di proporre reclamo al Garante quale autorità di controllo.

Il presente documento, pubblicato all'indirizzo: http://www.infn.it/privacy costituisce la privacy policy di questo sito, che sarà soggetta ad aggiornamenti.