Parole chiave:
Modelli fisici e matematici di funzioni biologiche
Statistica biologica
Biofisica
Grafi
Statistica avanzata e data science
Intelligenza artificiale in medicina
La Biofisica degli acidi nucleici sarà investigata tramite misure
effettuate dai gruppi sperimentali con i quali collaboriamo. Le
misure si dividono in due categorie: misure di espressione genica e
misure del grado di folding del DNA cromatinico. Il nostro gruppo
ha messo a punto un metodo innovativo e originale per l'analisi
delle serie temporali di espressione genica detto “correlazione
multiscala con conoscenza biologica a priori” e lo sta estendendo
alle misure di folding cromatinico. La Biofisica cellulare è
affrontata sia da un punto di vista teorico ( Systems Biology) che
sperimentale (patch clamp e imaging molecolare). A questo scopo è
in funzione una stazione completa per misure di attività elettrica
cellulare ed è in allestimento un dispositivo per misure di
biofotonica. La memoria cellulare è studiata attraverso
l'estensione ad altri tipi cellulari di un modello biofisico da noi
formulato per la memoria neuronale.
Biofisica degli acidi nucleici La ricerca sulla biofisica degli
acidi nucleici ha ricevuto, negli ultimi anni, un grande impulso
dalle tecnologie di Biologia Molecolare cosiddette “High Throughput
” che consentono la misura simultanea dell'attività di migliaia di
geni. Allo stato attuale, queste tecnologie consentono di misurare
le attività di tutti i geni nei vari genomi di importanza
medico-biologica (uomo, topo, ratto, drosophila, c.elegans etc)
poiché questi genomi sono stati completamente sequenziali. A causa
dell'elevata massa di dati sperimentali, sono particolarmente
richiese tecniche di analisi dati e di modelling che consentano di
rappresentare in maniera sintetica queste informazioni. Il nostro
gruppo, in collaborazione con vari gruppi sperimentali, ha messo a
punto una tecnica originale e innovativa per la ricostruzione di
network genetici a partire da serie temporali di espressione
genica. In particolare abbiamo mostrato che un metodo detto
“correlazione multiscala con conoscenza biologica a priori” risulta
essere molto più efficiente dei metodi Markoviani per la
ricostruzione dei network genetici. Infine, i network così ottenuti
sono analizzati attraverso la tecnica dei “Complex Networks” che
consentono una discriminazione topologico-funzionale fra diversi
stati cellulari (basale, patologico, differenziativi, ecc). Si
prevede di esportare queste tecniche all'analisi di una nuova
generazione di arrays, detti Tiling array che danno informazioni
sullo stato di coiling della cromatina attraverso legami con
molecole specifiche (ad esempio fattori di trascrizione). Biofisica
cellulare Attualmente il nostro gruppo è impegnato in attività di
“Systems Biology” che praticamente consistono nella
rappresentazione dinamico-matematica delle funzioni cellulari. Un
esempio tipico di questo approccio è rappresentato dalla via di
signalling del calcio che traduce i segnali esterni alla membrana
cellulare attraverso il citoplasma fino al nucleo. Vale la pena di
ricordare che il nostro gruppo ha fondato, assieme a gruppi del CNR
e dell'Università di Milano Bicocca una società scientifica
denominata "Systems Biology and Medical Informatics Network
(SysBioMedNet) “ con lo scopo di promuovere la ricerca, la
formazione e l'innovazione in questo settore interdisciplinare. Il
tema su cui il nostro gruppo è maggiormente impegnato è quello
della rappresentazione dinamica dei networks biologici attraverso
tecniche fisico-statistiche come quella dei Complex Networks.
Misure di attività bioelettriche La tecnica del “Patch Clamp” è una
tecnica biofisica molto raffinata per lo studio dell'attività dei
canali ionici messa a punto, nel suo assetto definitivo negli anni
1980 dal fisico tedesco Erwin Neher, insignito per questo del
premio Nobel. Il canale ionico è una macromolecola proteica con un
poro ( il cui diametro è dell'ordine dei nm) che consente la
permeazione selettiva di ioni (Calcio, Sodio, Potassio, Cloro, etc)
nella cellula. Si originano così delle correnti ioniche dette
“flussi ionici” che risultano presenti in tutti i tipi cellulari
dove mediano funzioni fondamentali quali l'omeostasi e
l'eccitabilità elettrica (comunicazione neuronale e contrazione
muscolare). “Patch Clamp“ consiste nell' imporre ad un tratto di
membrana (patch) un voltaggio definito (voltage clamp) e misurarne
il flusso di corrente. Queste correnti,dell'ordine dei pA, possono
essere misurate con il “Patch Clamp” previa la formazione di un
“sigillo” (Gigaseal) ad alta resistenza (dell'ordine dei GigaOhm)
fra una micropipetta di vetro opportunamente forgiata e la membrana
cellulare. Vale la pena di ricordare che le correnti ioniche,
misurabili anche a livello di singolo canale ionico, sono
importanti per tutte le cellule dove modulano un insieme molto
ampio di risposte cellulari che vanno dall'invecchiamento
all'insorgenza di tumori, fino ai fenomeni di memoria e di
apprendimento. Il nostro gruppo attualmente si occupa della
variazione nelle correnti ioniche in seguito a perturbazioni
fisiche e/o biologiche ( shock waves, tempo). Di particolare
rilevanza è il risultato, da noi acquisito, della variazione delle
correnti ioniche in funzione dell'età su una scale dei tempi da 0 a
100 anni. Biofotonica e misure di espressione genica: stiamo
allestendo un dispositivo per misure di fluorescenza in vivo
(cellulari) con lo scopo di correlarle a variazioni di attività
genetica e nucleare. Memoria cellulare: il nostro gruppo ha
un'attività “storica” sui modelli di apprendimento neuronale, che è
culminata con l'ideazione di un modello biofisico per la memoria e
l'apprendimento a livello di singola sinapsi. Negli ultimi anni
abbiamo esteso questo modello ad altri sistemi cellulari che
esibiscono capacità “mnemoniche” e di apprendimento quali il
sistema immunitario e il sistema detto “heat shock proteins” che
presiede alle risposte ad agenti stressogeni.