I big data della biologia a Milano-Bicocca

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C'è un nuovo laboratorio al Centro di Systems Biology SYSBIO dell'Università di Milano-Bicocca, dove da oggi si potranno eseguire analisi d'avanguardia in metabolomica grazie a un set di strumentazioni uniche nel settore. La struttura è stata inaugurata nei giorni scorsi ed è situata presso il Dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze di Milano Bicocca, potrà contare da subito sulle forze di 12 ricercatori, coordinati da Lilia Alberghina - direttore di SYSBYO - un team nato in collaborazione con l'Istituto di Bioimmagini e Fisiologia Molecolare del CNR (IBFM-CNR).

Il centro si caratterizza per una forte interdisciplinarietà, indispensabile per vincere una delle più grandi sfide in biologia: caratterizzare in tutte le sue fasi il metabolismo di una cellula, soprattutto quando questo è compromesso da alterazioni causate per esempio da un tumore.

Metabolomica e System Biology

Com'è possibile comprendere le funzioni biologiche, dalla vita di una cellula sana fino alle degenerazioni tipiche di malattie come l'Alzheimer?
La complessità di una cellula e, in generale, del sistema biologico di un orgnanismo può essere oggi indagata grazie a procedure di calcolo e analisi implementate negli ultimi anni in altri settori, con il contributo della matematica e dell'ingegneria. Con la system biology si cerca in sostanza di leggere e interpretare la grande quantità d'informazioni potenzialmente a disposizione inerenti le dinamiche cellulari e metaboliche, attraverso opportuni modelli matematici, un approccio non dissimile a quello usato per gestire le risorse dei Big Data. In questo caso, le informazioni arrivano grazie alla metabolomica. Quando una molecola è assunta dall'organismo, passa per una fase di trasformazione per essere facilmente assimilata, diventando un metabolita.
In questa nuova veste, i metaboliti lasciano dietro di sé delle tracce, vere e proprie impronte digitali che vengono lette e raccolte grazie alla metabolomica.

"Ogni sistema naturale può essere scomposto in livelli più semplici, proprio come prevedeva Cartesio nel suo Discorso sul Metodo", ha ricordato Alberghina durante la presentazione della nuova struttura.
In questa prima fase, infatti, la system biology provvede a scompattare la complessità cellulare in moduli più piccoli, ovvero singole cellule con specifiche funzioni, tenuti insieme da una rete di connessioni, esterne tra moduli diversi, e interne tra i diversi componenti di un modulo. 
Per arrivare a una modellizzazione del metabolismo e una possibile predizione della sua evoluzione, la parola d'ordine è integrare i dati sperimentali, un approccio di tipo bottom-up sarebbe infatti inutilizzabile per un sistema biologico complesso. 
La modelizzazione consente quindi di ricostruire i flussi metabolici attraverso una vera e propria mappa del network stabilito dalle connessioni - non dissimile dalle interazioni che si stabiliscono sui social media.

Rappresentazione schematica di flussi metabolici e dati trascripzionali in cellule di topo, normali e alterate


Fonte: "Onconogenic K-Ras decouples glucose and glutamine metoblism to support cancer cell growth", D. Gaglio et al. - Molecular System Biology 2011

Strumenti all'avanguardia per contrastare il cancro

Conoscere il metabolismo in ogni suo dettaglio può portare a signifcativi avanzamenti nella comprensione di tumori e altre malattie, impostando anche approcci terapeutici più efficaci. Si può infatti considerare il metabolismo come il motore di un tumore.
Il nuovo laboratorio d SYSBIO può vantare una strumentazione molto evoluta, in grado di eseguire un set completo di analisi, garantendo sistematicità e automazione nella preparazione dei campioni, riproducibilità e standardizzazione. Tutto questo è possibile grazie all'uso combinato di spettrometria di massa interfacciata con un Gas-Cromatografo (per identificare i metaboliti più piccoli) e un Cromatografo-liquido (per i metaboliti più grossi).

La "macchina" è dotata di un software che fornisce in output la mappa della dinamica metabolica, unendo funzioni di solito separate per tempi di diagnosi molto ridotti.

SYSBIO si inserisce all'interno dell'infrastruttura europea ISBE, pensata per rendere più accessibili gli strumenti propri della System Biology, e lavora fin dal 2009 in collaborazione con l' MIT di Boston. L'innovatività del centro del resto, così come dell'ateneo che ospita il labratorio, riguarda non solo la fase più operativa della ricerca, grande spazio viene riservato anche alla condivisione di conoscenza e più in generale alla filosofia open access: i prodotti della ricerca del team di Lilia Alberghina verranno messi al servizio di database consultabili online, oltre a workshop e supporto didattico per master e PhD, e il progetto si inserisce in un programma di reciproco supporto e scambio tra enti di ricerca.

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