Gruppo di fisica dei sistemi complessi di Bologna Gruppo di fisica dei sistemi complessi di Bologna
Università di Bologna Dipartimento di Fisica
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Biosistemi

Bazzani, Castellani, Remondini, Rossi, Servizi, Turchetti

I sistemi fisici classici sono adeguatamente descritti tramite la teoria dei sistemi dinamici che rappresenta la sintesi tra la meccanica di Newton e la descrizione statistica di Boltzmann, che ha consentito di ricondurre le leggi della termodinamica alla descrizione meccanica microscopica per un gas o più in generale per un mezzo continuo.
Gli organismi viventi, dalla più semplice macromolecola capace di replicarsi, fino all'uomo che rappresenta il punto finale di un'evoluzione durata oltre tre miliardi di anni, non sono riducibili a modelli descrivibili in termini di sistemi dinamici. Ciò che differenzia anche il più semplice organismo vivente dalla molecola di un gas, dallo ione in un plasma o da un giroscopio è il suo livello di organizzazione, cui corrisponde un altissimo contenuto informativo, la sua capacità di scambiare informazioni con l'ambiente e di replicarsi. Ecco quindi che l'unità vivente più elementare, l'atomo complesso, è ben lungi dall'essere rappresentabile come punto materiale, sia pur dotato di alcuni gradi di libertà interni.
Lo studio degli organismi viventi e dei loro aggregati ha bisogno di un nuovo schema concettuale e matematico che chiameremo teoria dei sistemi complessi, anche se questa teoria tuttora non esiste in forma compiuta ed univeralmente accettata.
Gli strumenti matematici andranno ricercati nella teoria dell'informazione, delle reti e degli automi, nella teoria dei giochi e dell'evoluzione, il pilastro teorico della biologia, oltre che nella teoria dei sistemi dinamici. In questo percorso gli esperimenti virtuali, che affiancano quelli reali, possono consentire di trovare nuove chiavi di lettura, di individuare parametri di controllo significativi e talora forse di scoprire leggi di carattere universale, come avviene di regola nei sistemi fisici.
La modellizzazione fisico-matematica, la realizzazione di esperimenti virtuali e la ricerca di schemi semplificati per descriverne i risultati sono l'arsenale con cui un fisico si avvicina ai biosistemi.

La nostra attività riguarda le reti neurali e di regolazione genica, l'analisi statistica del genoma, lo sviluppo di modelli dinamici per le proteine e per il sistema immunitario su lunghe scale temporali.
Le reti neurali e l'analisi multiscala, di cui sviluppiamo gli aspetti matematici vengono applicate anche alle immagini biomediche oltre che alle sequenze.
La dinamica dell'espressione genica può essere sperimentalmente seguita attraverso la tecnica dei microarrays, che forniscono i livelli di espressione di migliaia di geni, ma richiede lo sviluppo di elaborate tecniche di analisi statistica e di modellizzazione.
I meccanismi che governano il ripiegamento (folding) delle proteine vengono analizzati tramite modelli classici di catene di punti materiali o di corpi rigidi che modellano i singoli aminoacidi, utilizzando potenziali di interazione derivati da analisi di tipo bioinformatico. I modelli per il sistema immunitario, basati su una dinamica stocastica di popolazioni, sono stati sviluppati per descrivere l'evoluzione dei linfociti T vergini e l'espansione clonale tenendo conto delle fluttuazioni del carico antigenico dell'ambiente esterno e dell'organismo stesso, correlandola con dati demografici quali le curve di sopravvivenza.

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