COLLOQUIO INTERDISCIPLINARE sulla BIOLOGIA

(Facoltá di Scienze MFN dell'Universitá di Roma Tor Vergata)

-------------Conferenze nell'anno 2003----------------

Conferenza 1-03, 7 maggio 2003:

MODELLI MATEMATICI PER LA CRESCITA TUMORALE

prof. Livio TRIOLO, Dip. Matematica, Tor Vergata

Abstract.

Viene fatta una rassegna di alcuni modelli matematici per la descrizione della crescita dei tumori solidi in fase prevascolare. Saranno descritti l'approccio macro-mesoscopico (tessuto tumorale come materiale continuo), quello microscopico (evoluzione di "cellule" che si muovono, si moltiplicano e competono), e infine qualche recente lavoro che mette in relazione le diverse scale.

Conferenza 2-03, 21 maggio 2003:

PARADIGMI, MODELLI E SIMULAZIONI NELLA FISICA DEI BIOSISTEMI

prof. Giancarlo ROSSI, Dip. Fisica, Tor Vergata

Abstract.

Dopo una breve analisi della nozione di modello che emerge nella descrizione dei sistemi complessi, si discutono alcuni recenti tentativi di affrontare il problema della modellizzazione di proprietà generali caratterizzanti classi di macromolecole biologiche (tipicamente proteine e DNA).

Conferenza 3-03, 4 giugno 2003:

IL RUOLO BIOLOGICO DEI METALLI TRA FUNZIONALITÀ E PATOLOGIA,

Prof. Silvia MORANTE, Dip. Fisica, Tor Vergata

Abstract.

La spettroscopia X con luce di sincrotrone (XAS) e' in grado di fornire informazioni dirette sulla struttura dell'intorno geometrico ed elettronico di un selezionato assorbitore immerso in un sistema comunque complesso. In particolare essa può fornire informazioni sull'intorno di un assorbitore metallico, elemento spesso di grande importanza in contesto biologico. Un ben noto esempio é quello dei metallo-enzimi, nei quali il metallo svolge una funzione essenziale per l'attività della proteina stabilizzandone la struttura funzionalmente attiva e/o giocando il ruolo di centro catalitico. I metalli hanno mostrato di avere un ruolo determinante anche nella formazione, la stabilità e la funzionalità di aggregati di macromolecole e nel guidare l'interazione tra macromolecole. La XAS è una delle tecniche più efficienti per ottenere informazioni strutturali locali in aggregati macromolecolari di interesse biologico nel loro ambiente naturale. Verranno mostrati esempi di applicazione della tecnica XAS allo studio:

1. del sito attivo della Neurotossina tetanica

2. della natura dell'interazione tra ioni Zn, multi strati Langmuir-Blodgett (LBML) di fosfolipidi come modello della guaina mielinica) e Proteina Basica della Mielina (MBP)

3. delle proteine prioniche e dell'amiloide (Ab) delle placche dell'Alzheimer.

Conferenza 4-03, 18 giugno 2003:

SPAZI CONFORMAZIONALI E BIOATTIVITA': UN APPROCCIO BASATO SU SISTEMI

MODELLO PEPTIDICI A CONFORMAZIONE CONTROLLATA

Prof. Mariano VENANZI, Dip. Sc. e Tecnologie Chimiche, Tor Vergata

Abstract.

L'esplorazione degli spazi conformazionali accessibili ai sistemi biologici e la convergenza delle possibili soluzioni verso la conformazione attiva e' reso nuovamente attuale dalle recenti conquiste della genomica. L'utilizzo di sistemi modello peptidici e pseudopeptidici a conformazione controllata rappresenta un nuovo approccio per lo studio delle relazioni struttura/attività e dei processi di riconoscimento molecolare.

Conferenza 5-03, 29 ottobre 2003:

CARATTERIZZAZIONE MECCANICO-STATISTICA E DINAMICA DEL CONTRIFANO

Dr. Maira D'ALESSANDRO, Dip. Sc. e Tecnologie Chimiche, Tor Vergata

Abstract.

In questo lavoro (in collaborazione con M.Paci e A.Amidei) viene presentato lo studio di un peptide ciclico di nove residui, il contrifano Vn, prodotto dal Conus Ventricosus, una lumaca marina originaria del mar Mediterraneo. Lo studio ha permesso di caratterizzare il peptide, simulato in acqua per circa 200 ns tramite dinamica molecolare classica, dal punto di vista meccanico statistico. L'applicazione della dinamica essenziale ha permesso di estrarre dalla fluttuazione totale della molecola, il contributo dei gradi di libertà dominanti e responsabili delle principali transizioni conformazionali. È stata inoltre ricavata la superficie di energia libera del sistema e sono state analizzate le configurazioni di equilibrio in termini di conformazioni dei residui coinvolti.

Conferenza 6-03, 12 novembre 2003:

EMISSIONI OTOACUSTICHE E MECCANICA COCLEARE:

UTILITÀ BIOMEDICA DI UN APPROCCIO FISICO-MATEMATICO

Dr. Arturo MOLETI, Dip. Fisica, Tor Vergata

Abstract.

Le emissioni otoacustiche (OAE), spontanee o evocate da stimoli acustici, sono rivelabili nel canale uditivo per mezzo di comuni microfoni. Previste teoricamente da Gold nel 1948 in base alla sensibilita' e risoluzione in frequenza dell'udito, come manifestazione della presenza di un filtro attivo non lineare associato all'amplificazione ccocleare, sono state scoperte sperimentalmente da Kemp nel 1978. L'applicazione clinica delle OAE per la diagnosi di ipoacusie neonatali e' ormai diffusa nel mondo. Le tecniche OAE, applicate a soggetti adulti, hanno inoltre mostrato una elevata sensibilita' al danno cocleare di lieve entita'. Questa caratteristica ha suggerito di utilizzare le OAE per una diagnostica precoce del danno uditivo in soggetti esposti a rumore. L'orecchio interno può essere schematizzato efficacemente come una linea di trasmissione meccanica, risonante localmente in modo tonotopico, e le caratteristiche del feedback elettro-meccanico mediato dalle cellule ciliate esterne possono essere descritte da termini non lineari, associati all'impedenza trasversale della linea. L'utilizzo di tecniche avanzate di acquisizione ed analisi dati ha permesso di analizzare la risposta cocleare in grande dettaglio con esperimenti ben riproducibili e caratterizzati da un ottimo rapporto segnale/rumore. La misura accurata di parametri delle OAE, in connessione con l'uso di appropriati modelli fisico-matematici ha permesso di ottenere preziose informazioni sulla sensibilita' e la discriminazione in frequenza dell'apparato uditivo.

Conferenza 7-03, 26 novembre 2003:

APPROCCIO GEOMETRICO AL PROTEIN-FOLDING

dr. Fabio CECCONI, INFM, Centro SMC e "La Sapienza"

Abstract.

La comprensione del processo di ripiegamento delle proteine nella loro struttura nativa rappresenta uno dei problemi fondamentali della biologia molecolare. Le accurate simulazioni "full-atoms" basate su interazione realistiche non riescono ancora a seguire l'intero processo di "folding" per cui si rendono necessarie drastiche semplificazioni nella descrizione delle catene proteiche e delle interazioni tra aminoacidi. In tale ambito l'approccio meccanico-statistico trova interessanti applicazioni. La possibilita' di un tale approccio viene anche supportato da numerosi lavori sperimentali e teorici che mostrano come l'informazione geometrica, presente nella struttura nativa delle proteine, caratterizzi fortemente la natura del loro processo di "folding". Verranno presentati modelli teorici che, utilizzando questa informazione geometrica, sono in grado fornire una descrizione del "folding'' di alcune proteine reali in buon accordo con i principali risultati sperimentali.

Conferenza 8-03, 10 dicembre 2003:

CONFRONTI TRA SUPERFICIE PROTEICHE PER L'INFERENZA FUNZIONALE

prof. Manuela HELMER-CITTERICH, CBM, Dip. Biologia, Tor Vergata

Abstract.

Si possono usare diversi metodi per inferire la funzione di una proteina: il confronto di sequenze e di strutture o la ricerca di motivi funzionali associati a funzione. Proteine che abbiano una sequenza simile in genere hanno anche la stessa funzione, o una funzione correlata. Di conseguenza, per identificare la funzione o le funzioni di una proteina non ancora caratterizzata, è possibile effettuare ricerche di proteine simili in banche dati di sequenze ben annotate. Anche il confronto tra strutture proteiche può talvolta mettere in evidenza relazioni evolutive (e di conseguenza funzionali) anche quando il confronto tra le relative sequenze non dà segnali significativi. Esistono però casi "difficili" in cui proteine a sequenza simile mostrano differenze proprio nel sito attivo (evoluzione divergente), o proteine con sequenze e strutture molto diverse hanno la stessa funzione (evoluzione convergente).La funzione è in genere codificata da un numero relativamente basso di residui contigui in 3D ed esposti al solvente ed anche nei casi "difficili" è possibile sfruttare questa caratteristica per effettuare un'efficiente annotazione funzionale. Abbiamo quindi sviluppato un metodo di confronto locale tra superficie proteiche (indipendente dalla conservazione dell'ordine dei residui nella sequenza o nella struttura) e identificato regole per l'inferenza della funzione di patches a funzione non nota. La banca dati SURFACE (SUrface Residues and Functions Annotated, Compared and Evaluated) è accessibile all'indirizzo: http://cbm.bio.uniroma2.it/surface/. Verranno discusse le applicazioni del metodo a problemi di genomica strutturale.

Conferenza 9-03, 17 dicembre 2003:

UN MODELLO PER DUE EPIDEMIE IN COMPETIZIONE

prof. Gianpaolo SCALIA TOMBA, Dip. Matematica, Tor Vergata

Abstract.

Il classico modello SIR rappresenta la dinamica della diffusione di una malattia infettiva immunizzante in una popolazione finita e statica. Il modello è stato studiato in forma sia deterministica che stocastica e le soluzioni coincidono in caso di grande diffusione ("epidemia") mentre differiscono circa la possibilità di estinzione veloce dell'infezione. Recentemente, in collaborazione con A. Svensson, (Università di Stoccolma) abbiamo studiato la dinamica stocastica di due epidemie in competizione, dove l'avvenuta infezione con un tipo immunizza anche contro l'altro tipo. In questo caso, si trova che la soluzione deterministica ha senso solo se interpretata in modo stocastico.

-------------Conferenze nell'anno 2004----------------

Conferenza 1-04, 21 gennaio 2004:

DINAMICA SIMBOLICA E ANALISI LINGUISTICA DI SERIE TEMPORALI CARDIACHE

prof. Camillo CAMMAROTA, Dip. Matematica "La Sapienza"

Abstract:

La sequenza degli intervalli temporali tra due battiti cardiaci consecutivi estratta dal tracciato Holter delle 24 ore viene codificata in una stringa di simboli. L'analisi della frequenza delle "parole" consente di definire indici utili nella indagine clinica. In particolare l'indice di accelerazione, che risulta discriminare significativamente gruppi di soggetti differenti per eta', potrebbe quantificare l'efficienza del controllo neuroautonomico sulla frequenza cardiaca.

Conferenza 2-04, 4 febbraio 2004:

EMISSIONE DI POTENZIALI D'AZIONE DEI NEURONI DELL'OSSITOCINA

prof. Brunello TIROZZI, Dip. Fisica, "La Sapienza"

Abstract:

I neuroni della neuroipofisi che emettono l'ossitocina possono avere due diversi stati di emissione dei potenziali d'azione, di cui uno e' pulsatile con una bassa frequenza di spikes ( 10-20 al sec). Durante l'allattamento od il parto invece si innesca uno stato quasi periodico di emissione di potenziali d'azione ad alta frequenza (80-90 spikes al secondo) in cui viene emessa l'ossitocina che provoca il parto o l'uscita del latte. In questo caso i neuroni che emettono l'ossitocina si trovano in uno stato di attivita' quasi sincronizzata. Presentero' un modello di neuroni ( Integrate & Fire) accoppiati tramite le connessioni di questo particolare sistema (l'interazione dendro-dendritica) che riproduce abbastanza bene questo comportamento. Discutero' in un caso piu' generale il problema della stabilita' degli stati asincroni dei neuroni.

Conferenza 3-04, 18 febbraio 2004:

L'USO DEGLI ALGORITMI GENETICI NEL PROBLEMA DEL "PROTEIN FOLDING":

PROBLEMI E PROSPETTIVE

prof. Stefano MOROSETTI, Dip. Chimica, "La Sapienza"

Abstract.

La sequenza primaria di una proteina determina la struttura terziaria che essa adotta in condizioni fisiologiche. La possibilita' di una previsione teorica, senza l'uso di dati sperimentali, di tale struttura terziaria, nasce come sfida intellettuale, ma ha anche una notevole utilita' pratica, dovuta al fatto che con il sequenziamento del DNA si ottengono anche le sequenze primarie di proteine che non sono state isolate, e per un suo eventuale uso in ingegneria molecolare. Uno dei metodi utilizzati per affrontare il problema, consiste nell'uso di Algoritmi Genetici. Verranno illustrati: il funzionamento di tali algoritmi, le ragioni a favore di una loro scelta, i problemi che si incontrano nel loro uso in questo problema specifico, e i problemi connessi con la funzione di valutazione delle strutture trovate quando si usano potenziali empirici.

Conferenza 4-04, 17 Marzo 2004:

L'EVOLUZIONE NEGLI AMBIENTI INSTABILI: LA STRATEGIA DEL 'BET-HEDGING':

MODELLI MATEMATICI E VERIFICHE SPERIMENTALI

prof. Carlotta MAFFEI, Dip. Matematica, "La Sapienza"

Abstract.

Gli organismi che vivono in ambienti naturali altamente variabili (ad esempio alcuni semi di piante del deserto o i crostacei delle pozze e stagni temporanei) hanno elaborato sofisticate strategie di sopravvivenza che permettono alla specie di fronteggiare il rischio di estinzione totale dovuto alla imprevedibilita' dell'ambiente. Una di queste strategie prevede che gli organismi attraversino fasi di "dormienza" nei periodi in cui l'ambiente e' ostile. Una modellizzazione matematica del fenomeno, oltre ad evidenziare aspetti importanti dal punto di vista ecologico, permette di pianificare la conservazione delle specie. Viene pertanto presentato un modello di evoluzione e si discute la validita' delle conclusioni tratte dal modello su un insieme di dati sperimentali.

Conferenza 5-04, 28 Aprile 2004:

SUL RISCHIO DI ESTINZIONE PER UNA POPOLAZIONE CON EVOLUZIONE STOCASTICA

prof. Mario ABUNDO, Dip. Matematica Tor Vergata

Abstract.

Si considera una popolazione la cui evoluzione temporale risulta dalla sovrapposizione di una componente deterministica e una aleatoria, e si studia l'influenza della componente aleatoria sulla velocita' di estinzione della popolazione. In particolare, nel caso in cui la popolazione e' guidata da un processo di diffusione, un aumento delle fluttuazioni aleatorie provoca una accelerazione del processo di estinzione. Se il processo di evoluzione temporale e' discontinuo, cioe' si ammette che possano verificarsi dei salti, allora la dinamica e' descritta da un' equazione di diffusione con salti, e il quadro diventa piu' complicato. Scopo del seminario e' illustrare l'effetto di un cambiamento nei coefficenti dell'equazione, sul processo di estinzione della popolazione.

Conferenza 6-04, 29 ottobre 2004:

UN'ESPERIENZA DI COLLABORAZIONE INTERDISCIPLINARE TRAMITE L'ANALISI

NONLINEARE

prof. Jorge IZE, UNAM (Citta' del Messico)

Abstract.

La Matematica Nonlineare e' un campo che riveste un ruolo d'importanza via via crescente sia dal punto di vista teorico che applicativo. Cio' si verifica in particolare nello studio di sistemi complessi, anche di tipo biomedico e ingegneristico, dove e' necessaria la cooperazione di ricercatori con diverse formazioni ed esperienze. Con questo scopo e' stato istituito nel 1995 presso l'UNAM (Universidad Nacional Autonoma de Mexico), il centro FENOMEC (Proyecto Universitario de FEnomenos NOlineales y MECanica), che raccoglie piu' di 132 professori di 10 Dipartimenti diversi. Il FENOMEC, oltre ad organizzare convegni, corsi, workshop, sviluppa ricerche interdisciplinari con strumenti teorici, sperimentali e di calcolo numerico, tra i quali: Modelli di valvole cardiache, Vibrazioni forzate di edifici, Generazione di energia dalle onde marine, Sistemi biologici.

Conferenza 7-04, 22 Dicembre 2004:

L'IMPOSTAZIONE STATISTICA CLASSICA E l'IMPOSTAZIONE BAYESIANA

IN AMBITO MEDICO E BIOINFORMATICO

dr. Alessio FARCOMENI, Dip. di Stat., Prob. e Stat. Appl., "La Sapienza"

Abstract:

Il seminario fa una panoramica dell'approccio statistico bayesiano, con un taglio introduttivo e con l'aiuto di esempi su dati reali e fittizi. L'obiettivo e' di acquisire familiarita' con limiti e vantaggi delle impostazioni statistiche classica e bayesiana, per poterne fare un utilizzo consapevole ed efficace nelle applicazioni mediche e bioinformatiche. Si introducono i principali approcci filosofici alla probabilita' e se ne considerano le conseguenze in termini statistici. L'approccio bayesiano viene confrontato con l'approccio statistico classico, e vengono riassunti i principali vantaggi e limitazioni di ciascun metodo. Si evidenziano inoltre quali utilita' puo' avere l'approccio bayesiano in ambito medico e bioinformatico, e le novita' che puo' avere sulla ricerca in queste discipline.

-------------Conferenze nell'anno 2005----------------

Conferenza 1-05, 26 gennaio 2005:

AUTOMI CELLULARI STOCASTICI PER LA MODELLAZIONE DI SISTEMI BIOLOGICI

prof. Massimo BERNASCHI. IAC-CNR, Roma

Abstract.

Gli automi cellulari sono sistemi discreti nello spazio e nel tempo che mostrano comportamenti non triviali a seconda delle condizioni iniziali. Un ben noto esempio di automa cellulare e' il "Game of Life" di J. Conway. Normalmente l'evoluzione di un automa cellulare e' governata da regole deterministiche. Un'estensione degli automi cellulari in cui le regole hanno componenti stocastiche permette di modellare il comportamento di sistemi come quelli biologici in cui e' molto difficile definire le esatte condizioni iniziali. Verrano presentati alcuni esempi di applicazione di automi cellulari stocastici che permettono di rappresentare fenomeni come la risposta immunitaria ad un agente patogeno, la formazione di reti di proteine all'interno di una cellula e la propagazione di un segnale cellulare dalla membrana al nucleo.

Conferenza 2-05, 9 febbraio 2005:

ALGORITMI DI COMPRESSIONE ED ESTRAZIONE DI INFORMAZIONE

Dr. Vittorio LORETO, Dip. Fisica, "La Sapienza"

Abstract.

In questo seminario presentero' un metodo molto generale per l'estrazione di informazione codificata sotto forma di sequenze di caratteri, ad esempio testi, serie temporali, sequenze geniche ecc. Il metodo sfrutta crucialmente le tecniche di compressione di dati per definire opportune misure di vicinanza tra coppie di sequenze di caratteri. Discutero' in particolare il processo di pseudo-apprendimento alla base degli algoritmi di compressione sequenziali e mostrero' come esso possa essere sfruttato per l'implementazione di algoritmi di riconoscimento e classificazione automatici. Infine presentero' alcuni esempi di applicazione in ambito linguistico: riconoscimento automatico della lingua, dell'argomento e dell'autore di un testo, classificazione automatica.