RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Systems Biology: modellazione, linguaggi e analisi (Sybilla)

Università di riferimento

Università di PISA - INFORMATICA - PISA(PI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Pierpaolo DEGANO

Descrizione

Ci concentreremo principalmente sullo sviluppo di un calcolo per la descrizione delle cellule biologiche. Il nostro obiettivo a lungo termine consiste nella definizione di un linguaggio di programmazione e del suo ambiente di sviluppo; i biologi possono in questo modo usarlo per modellare gli organismi viventi, e predire il loro comportamento, effettuando esperimenti virtuali prima di farlo in vivo. Allo stesso tempo, una buona comprensione delle interazioni bio-chimiche dovrebbe permetterci di concepire primitive di interazione e di comunicazione per la progettazione di sistemi composti di agenti di calcolo mobili e concorrenti che siano maggiormente efficienti e affidabili. Più in dettaglio, è nostra intenzione seguire tre linee di ricerca principali. La prima è basata sui calcoli (CALCOLI PER LA MODELLAZIONE BIO-CELLULARE), sulle loro estensioni e sugli strumenti dell'analisi principale. La seconda linea (ADEGUATEZZA E CONVALIDA) si concentra sulla adeguatezza delle proposte linguistiche fatte, considerando semplici casi di studio. La terza linea di ricerca (BIO-SICUREZZA) indaga sulla possibile ricaduta di quanto sviluppato negli altri sotto-temi sul campo della sicurezza di un protocolli e di sistemi informatici, un campo in cui questo sito è stato ed è tuttora attivo. Tutto ciò , scommettendo sulle effettiva trasferibilità dei risultati da un campo all'altro. CALCOLI PER LA MODELLAZIONE BIO-CELLULARE Continueremo a usare calcoli di processo (come pi-calculus, bio-ambients, Multi-Set Rewriting) per modellare gli organismi biologici, in modo da imparare di più sui meccanismi per la descrizione e l'analisi del loro comportamento. Prevediamo il bisogno di nuove primitive di comunicazione per una migliore descrizione dei meccanismi di interazione tipici dei processi bio-chimici, ad esempio per la descrizione di reazioni multiple e simultanee, e del loro accadere in siti e compartimenti di cellule diversi. Inoltre, sembrano necessari viste diverse dei percorsi biologici e del loro intrecciarsi, per descrivere i loro aspetti qualitativi, così come i loro aspetti quantitativi. Specifiche semantiche qualitative saranno sviluppate per esprimere nozioni quali la causalità tra reazioni e reagenti, gli effetti dei catalizzatori/inibitori e della concentrazione, la descrizione dei compartimenti. La definizione e l'uso delle sematiche stocastiche si rivela necessaria inoltre per descrivere fedelmente le distribuzioni stocastiche cui le reazioni biochimiche obbediscono e gli effetti della concentrazione sui reagenti nelle soluzioni. Per ottenere un quadro uniforme, all'interno del quale ospitare sia gli aspetti quantitativi che qualitativi, il nostro piano consiste nell'utilizzo della così detta semantica operazionale arrichita. Una caratteristica importante delle semantica operazionale arrichita è data dal fatto che essa permette di descrivere i vari aspetti dei sistemi senza richiedere cambiamenti nella sintassi, che rimane quindi quella standard dei vari calcoli di processo. Le diverse descrizioni del comportamento dei processi vengono in questa maniera ottenute in modo semi-meccanico, in modo indipendente l'una dall'altra. Queste caratteristiche della semantica consentono il ri-uso delle tecnologie e degli strumenti esistenti per l'analisi del comportamento dinamico degli organismi biologici specificati nell'algebra di processo scelta. Oltre ai prototipi per l'animazione della semantica operazionale arrichita, abbiamo intenzione di progettare e implementare estrattori dei diversi aspetti quantitativi e qualitativi menzionati sopra. Un possibile risultato dato dall'utilizzo di opportune nozioni di equivalenze comportamentali, viene dato dal raggruppare sistemi biologici apparentemente diversi e che, tuttavia, presentano la stessa dinamica, riflettendo e possibilmente mettendo in luce le affinità. Queste equivalenze possono essere parametrizzate rispetto agli aspetti, quantitativi o qualitativi, del sistema analizzato, e sperabilmente rivelare similarità e dissimilarità. Per aiutare l'utente nella comprensione della dinamica dei sistemi biologici modellati, dovremmo pure ideare rappresentazioni grafiche di queste descrizioni, con strumenti prototipali, permettendo diversi livelli di dettaglio, con caratteritiche che rendano possibile la scelta del livello di rappresentazione. Inoltre, vorremmo verificare l‘applicabilità dell'analisi statica per il controllo di proprietà delle specifiche, senza dover ricorrere alla loro esecuzione. In particolare, consideremo l'Analisi del Flusso di Controllo, una tecnica già usata da persone afferenti a questo sito per studiare proprietà di sicurezza dei protocolli crittografici. Le attività riassunte fin qui saranno distribuite sugli anni 1 e 2. Naturalmente il confronto tra calcoli di processo e le necessarie estensioni sarà un compito del primo anno e del principio del secondo, mentre il resto del lavoro sarà affrontato nel corso del secondo anno. ADEGUATEZZA E CONVALIDA Le primitive proposte per la descrizione formale del comportamento biologico ha bisogno di controlli incrociati rispetto ai risultati noti in Biologia. Abbiamo intenzione di considerare piccoli e semplici esempi presi dalla letteratura e di modellizzarli il prima possibile nel corso del primo anno, in modo da mettere a punto le nostre proposte. Continueremo anche nella modellizzazione della cellula virtuale VICE, recentemente da noi proposta, studiata e simulata, in collaborazione con un piccolo gruppo di biologi. Saranno modellizati nuovi percorsi biologici e saranno considerate nuove funzionalità, con l'obiettivo di trovare il genoma minimo per una cellula "vivente". Nel corso del secondo anno, vorremmo allargare la nostra collaborazione con i biologi e i biochimici, in modo da affrontare esempi maggiormente ampi. BIO-SICUREZZA Questa linea di ricerca prenderà in considerazione la possibilità di scambiare in modo fecondo le nozioni di biologia con le problematiche legate alla sicurezza. Un primo esempio è quello della nozione di non-interferenza in sicurezza, ovvero il fatto che nessun attaccante può alterare il comportamento pubblico osservabile di un sistema o di un protocollo. Questa proprietà è stata studiata usando tecniche di tipo dinamico, come le equivalenze comportamentali, o usando tecniche statiche, come i sistemi di tipo o l'analisi di flusso di controllo, sulla quale abbiamo alcune competenze. Cercheremo di capire se questa nozione si presti anche per modellare una nozione simile in ambito biologico, ovvero se una molecola all'interno di un composto possa interferire o meno con le altre, producendo effetti non voluti. Appare interessante anche il cercare di comprendere se i meccanismi di auto-difesa dei sistemi biologici possono ispirare analoghi meccanismi nei linguaggi di programmazione, e se l'unicità dei costituenti biologici, ad esempio del DNA, siano d'aiuto nella progettazione di protocolli sicuri. Il risultato che si spera di ottenere, di quanto detto, non influenza la ricerca descritta nelle aree precedenti; intendiamo studiare queste problematiche durante i due anni, senza ulteriori suddivisioni.