RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di TRENTO - INFORMATICA E TELECOMUNICAZIONI - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Paola Quaglia

Descrizione

Gli obiettivi principali di questa unita' di ricerca sono la definizione di un ambiente di specifica linguistico per le funzionalita' dei sistemi biologici, la definizione di techniche di analisi di dati di espressione genica da microarray, la progettazione e sviluppo di prototipi per la simulazione e l'analisi del comportamento di tali sistemi e per l'analisi di dati. Lo scopo di lungo periodo di questa direzione di ricerca e' la definizione di metodi e tecniche rivolte a scenari sempre piu' complessi che non possono essere trattati con gli attuali strumenti della tecnologia dell'informazione. L'obiettivo di breve periodo e' la progettazione di software user-friendly che i biologi possano utilizzare sia per validare/raffinare i loro esperimenti di laboratorio, che per predire proprieta' emergenti o per condurre analisi di dati di espressione genica. L'esperienza di ricerca dei membri dell'unita' locale, nonche' l'immediatezza dello scambio di risultati di ricerca tra i vari partner del progetto, saranno fondamentali per ottenere i risultati desiderati. In particolare, l'ottimizzazione dello scambio di informazioni tra partner sara' un fattore cruciale per il controllo della compatibilita' incrociata dei risultati parziali rispetto ai vari approcci adottati dai vari gruppi (approccio linguistico, basato su automi, basato su sistemi di riscrittura).


La ricerca sara' organizzata in due fasi. La biologia - o piu' precisamente la funzionalita' ed il comportamento di sistemi biologici - costituira' il dominio applicativo sia per la selezione di casi di studio appropriati (prima fase) che per la validazione finale dei modelli e dei prototipi sviluppati (seconda fase). I casi di studio andranno da semplici transcriptional circuits, metabolic pathways e signal transduction networks a modelli (semplificati) di sintesi di proteine a livello cellulare e modifica di conformazione della struttura di proteine. Prendendo spunto dai vari tipi di interazione rivelati dai casi di studio prescelti, raffineremo ed estenderemo alcuni precedenti lavori che usano i calcoli di processo per la modellazione di interazioni biochimiche e della evoluzione dinamica dei compartimenti. Questa attivita' consistera' principalmente nell'identificazione di primitive che tengono in considerazione gli aspetti fondamentali delle interazioni di tipo biologico (e.g., energia, tempo, probabilita', affinita', distanza, struttura, carica elettrostatica) e permettono comunque di definire un linguaggio di specifica con un minimo insieme di operatori, che sia una adatta base di partenza per le successive automazioni. L'espressivita' del linguaggio sara' controllata verificando che sia possibile codificare, tramite i suoi termini, i vari scenari di interazione messi in luce dai casi di studio. Per cio' che riguarda la ricerca relativa ad analisi di dati, si individueranno gli obiettivi dell'analisi (e.g., diagnostico, esplorativo, confermativo) e un sottosistema biologico per cui siano disponibili dati di microarray compatibili con gli obiettivi prescelti. Oltre a cio', in questa prima fase del progetto, si completera' la progettazione dei tool di simulazione e analisi di transition system da realizzare nella fase successiva.

Nella seconda fase del progetto procederemo alla validazione del linguaggio modellando i casi di studio selezionati. Verra’ definita una tecnica di analisi di dati che sfrutti il risultato delle simulazioni nelle comuni operazioni di analisi (e.g., controllo di qualita’). Si realizzeranno prototipi per l’implementazione della suddetta tecnica e per la simulazione e l’analisi comportamentale di processi del linguaggio di specifica. Inoltre, vista l'attenzione internazionale sulle prospettive della modellazione di sistemi biologici in termini di calcoli di processi, studieremo anche possibili definizioni di `equivalenze comportamentali' ispirate alla biologia. Tali equivalenze sono state abbondantemente approfondite nell'area della semantica per la concorrenza: due sistemi si dicono equivalenti quando, immersi in un qualunque contesto (cioe' utilizzati come componenti di sistemi di maggiori dimensioni), non e' possibile `osservare' alcuna differenza tra i loro comportamenti. Nozioni di equivalenza comportamentale possono essere utili in biologia cosi' come lo sono nel caso dei sistemi distribuiti. Per esempio due molecole possono essere considerate equivalenti quando, in presenza degli stessi complessi molecolari, danno luogo esattamente alle stesse reazioni biochimiche, cosi' come avviene per gli anticorpi o per qualche fattore di trascrizione. La definizione di equivalenze appropriate permettera', tra l'altro, la minimizzazione del numero di stati corrispondenti al comportamento (transition system) dei processi. Dunque, oltre ad essere un argomento di ricerca interessante in se', si rivelera' particolarmente utile per lo sviluppo di analizzatori efficienti.