RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Sistemi e calcoli di ispirazione biologica e loro applicazioni -- BISCA

Università di riferimento

Università degli Studi di BOLOGNA - SCIENZE DELL'INFORMAZIONE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Nadia Busi

Descrizione

Il programma di ricerca di questa unita' sara' principalmente incentrato sui seguenti argomenti:

- fornire estensioni quantitative dei calcoli per processi biologici
- studiare e confrontare l'espressivita' di vari calcoli per processi biologici
- modellare e simulare fenomeni cellulari mediante P systems

*** Estensioni quantitative dei calcoli di processi biologici

La possibilita' di avere a dispozione informazioni quantitative e' cruciale nel campo dei processi biomolecolari, e quindi gioca un ruolo fondamentale anche nella modellazione dei sistemi biologici. Ad esempio, per descrivere correttamente una reazione e' necessario conoscere la quantita' esatta dei reagenti coinvolti, l'affinita' dei siti disponibili e la quantita' di energia che puo' essere usata. Inoltre, molti risultati biologici interessanti provengono da esperimenti quantitativi in vitro o in vivo. Finora sono state sviluppate estensioni stocastiche solo per la versione biologica del pi-calcolo e per i BioAmbients. La disponibilita' di estensioni stocastiche puo' risultare utile nella collaborazione con i biologi, i cui esperimenti si basano su valutazioni quantitative.

Durante la prima fase, svilupperemo estensioni stocastiche basate sui modelli stocastici attualmente disponibili. In particolare, siamo intenzionati ad estendere i calcoli esistenti con aspetti probabilistici, utilizzando l'approccio seguito nello sviluppo del pi-calcolo stocastico.

Sfruttando la competenza del nostro gruppo sulle relazioni tra reti di Petri e algebre di processi, nella seconda fase intendiamo fornire una struttura unificante che permetta di confrontare e integrare gli approcci basati su reti di Petri stocastiche e ibride con gli approcci basati su calcoli di processi stocastici. <br />

*** Analisi dell'espressivita' di calcoli di processi biologici e stocastici

Negli ultimi anni sono stati sviluppati svariati calcoli per processi biologici, ma non e' ancora stato effettuato un confronto del potere espressivo di questi calcoli.
Partendo dalle conoscenze acquisite dal nostro gruppo di ricerca nello studio dell'espressivita' dei calcoli di processi concorrenti e dei linguaggi di coordinazione, intendiamo studiare il potere espressivo di (frammenti e varianti) di calcoli di processi biologici.

Partendo dal lavoro iniziale del nostro gruppo sul confronto di varianti di Brane Calculi, nella prima fase estenderemo l'analisi ad altri calcoli.

I BioAmbients sono ottenuti adattando i Mobile Ambients al contesto biologico. Intendiamo adattare le tecniche che abbiamo sviluppato per l'analisi dell'espressivita' di vari frammenti e varianti di Mobile Ambients ai BioAmbients.

Nella prima fase intendiamo inoltre sviluppare un core calculus, ottenuto estendendo il pi-calculus con la sincronizzazione poliadica e le priorita' (o le transazioni) per modellare i compartimenti e le interazioni complesse che avvengono in modo atomico tra membrane (come, ad esempio, nel caso della fagocitosi).
Questo core calculus verra' utilizzato nella seconda fase come una piattaforma comune per il confronto di calcoli di processi biologici.

La maggior parte del nostro lavoro sull'espressivita' e' basato su risultati di separazione riguardanti la decidibilita' o l'indecidibilita' di proprieta' quali la raggiungibilita', il deadlock, la divergenza, la boundedness, la coverability.
Nella seconda fase, i risultati di decidibilita' verranno utilizzati per ottenere tecniche di analisi per i sottocalcoli su cui le proprieta' risultano decidibili.
Si prevede di applicare tali tecniche di analisi anche a particolari classi di P systems.

Nella seconda fase intendiamo estendere l'analisi dell'espressivita' alle versioni stocastiche dei calcoli di processi biologici.

Un tema di ricerca strettamente correlato all'espressivita' e' lo sviluppo di nozioni di equivalenza. Due sistemi sono equivalenti se esibiscono lo stesso comportamento rispetto ad una determinata nozione di osservazione.
Varie nozioni di osservazione sono state proposte in letteratura per i calcoli concorrenti, ma il lavoro effettuato nel campo dei processi biologici e' al momento molto limitato. Partendo da esperienze precedenti del nostro gruppo di ricerca nella definizione di nozioni di equivalenza per linguaggi di coordinazione, nella seconda fase intendiamo studiare nuove nozioni di equivalenza adatte ai processi biologici.

*** Modellazione e simulazione di processi biologici mediante P systems

Intendiamo esaminare diversi fenomeni cellulari mediante l'applicazione dei sistemi a membrane. In particolare, i fenomeni che intendiamo analizzare sono:

1) L'attivita' dei canali meccanosensibili nei procarioti. La funzione svolta da questo tipo di canali consiste nel proteggere la cellula da valori eccessivi di pressione osmotica, riducendola grazie al passaggio immediato di sostanze chimiche dall'interno della cellula verso l'esterno. Processi di questo tipo si rivelano fondamentali per le cellule dei batteri, per evitare che valori troppo elevati di pressione danneggino in modo permanente l'integrita' della cellula, portando alla morte della stessa.
La modellazione di questo tipo di canali mediante P systems potra' permettere di definire qual e' la probabilita' di passare da una configurazione di un canale alla configurazione successiva. I biologi, pur avendo a disposizione una vasta quantita' di dati sperimentali relativi a tale processo, non sono in grado di prevedere il comportamento del canale.

2) Oscillatori Bio-chimici. L'interazione tra due o piu' sistemi oscillatori risulta essere molto importante per molti processi e sistemi biologici. Di fatto, costituisce un fattore importante per mantenere in vita un organismo o un sistema complesso costituito da diversi organismi. La reazione di Belousov-Zhabotinsky e' un noto esempio di oscillatore ottenuto da reazione chimica. Sulla base di questo tipo di reazione, e' stato proposto lo studio delle dinamiche di popolazione di un sistema costituito da vegetali, volatili, erbivori e carnivori. Poiche' una variazione delle condizioni ha un'influenza diretta sui parametri delle reazioni, pensiamo che i Sistemi a Membrane con priorita' che variano dinamicamente durante la computazione possano essere utilizzati con successo nello studio di queste dinamiche.

3) Canali di comunicazione cellulari, quali pompe sodio/potassio accoppiate, sistemi di antiporto per il sodio e il calcio e canali per la comunicazione di calcio. Lo studio integrato di tali canali di comunicazione potrebbe consentire di comprendere a fondo fenomeni importanti quali lo scambio di ioni a livello cellulare, che attualmente risultano essere chiari solo in alcuni aspetti.

4) Analisi del ruolo svolto dagli aminoacidi e dei loro derivati sul sistema nervoso. E' noto che vi sono diversi derivati degli aminoacidi che agiscono da eccitatori o inibitori in vari processi di comunicazione di segnali neurali. Un esempio di questo tipo e' rappresentato da un derivato degli aminoacidi noto come GABA, che agisce da inibitore nelle comunicazioni sinaptiche. In particolare, il legame che si crea tra GABA e il relativo recettore cellulare, genera un cambiamento a livello chimico nella membrana del neurone, rendendo quest'ultimo refrattario agli stimoli eccitatori, determinando in questo modo un'azione di inibizione della trasmissione nervosa.

Prevediamo inoltre di sviluppare software di simulazione basati sul modello a Membrane. Tali simulatori verranno utilizzati sia per ottimizzare e migliorare i modelli stessi, sia per ricavare informazioni importanti che possono essere fornite ai biologi per meglio comprendere il funzionamento della cellula o di altri processi di tipo biologico. Un simulatore relativo ai canali di comunicazione cellulari risulterebbe estremamente importante per i biologi, ad esempio per raccogliere informazioni relative alla posizione e al numero di canali coinvolti negli esperimenti di "patch clamping" (in cui, cioe', si osserva una porzione di membrana per rilevare il passaggio di diversi ioni attraverso di essa). Attualmente, infatti, i biologi riescono a determinare con un buon grado di approssimazione il passaggio di ioni attraverso la membrana, ma risulta molto difficile prevedere la posizione e il numero di canali coinvolti in tale processo.

Nella prima fase intendiamo costruire un modello formale dei fenomeni cellulari sopradescritti. Per quanto riguarda il Dynamic Probabilistic P Systems Simulator sviluppato dal nostro gruppo di ricerca, intendiamo lavorare sulla scalabilita' del simulatore per ottenere un miglioramento della sua versione distribuita; intendiamo inoltre testare l'affidabilita' del simulatore su alcuni casi di studio.

Nella seconda fase prevediamo di validare i modelli formali ottenuti nella fase precedente mediante un uso intensivo dei simulatori.