La teoria delle reti applicata allo studio delle simbiosi

La teoria delle reti applicata allo studio delle simbiosi.RIASSUNTOLa teoria delle reti è una disciplina nata negli ultimi decenni, e ha come oggetto di studio sistemi complessi, che vengono rappresentati come un insieme di nodi, collegati tra loro, a formare una rete. Questo tipo di rappresentazione è stato applicato in ambiti molto diversi tra loro, quali la sociologia, l’informatica, la

La teoria delle reti applicata allo studio delle simbiosi.

RIASSUNTO

La teoria delle reti è una disciplina nata negli ultimi decenni, e ha come oggetto di studio sistemi complessi, che vengono rappresentati come un insieme di nodi, collegati tra loro, a formare una rete. Questo tipo di rappresentazione è stato applicato in ambiti molto diversi tra loro, quali la sociologia, l’informatica, la fisica e la biologia; alcuni esempi di reti studiate sono la rete sociale, quella delle interazioni tra le molecole all’interno della cellula, internet e le reti alimentari. A partire dagli anni ’50 del secolo scorso le reti sono state studiate applicando il modello dei grafi casuali proposto da Erdos e Renyi, basato sul principio per cui  la probabilità di connessione è uguale per qualsiasi coppia di nodi della rete e si distribuisce in modo casuale. In seguito, però, si è visto che la topologia delle reti reali differisce da un grafo casuale per alcuni aspetti. Infatti, indipendentemente dalla dimensione della rete, il numero medio di passaggi necessari per connettere due nodi qualsiasi è basso (proprietà di piccolo-mondo). Questa particolarità, da cui deriva la famosa espressione “sei gradi di separazione”, è stata descritta per la prima volta nella rete sociale. Le reti reali, inoltre, sono caratterizzate dal clustering, cioè la rete è formata da piccoli gruppi di nodi altamente connessi tra loro: particolarmente importanti sono i legami deboli che connettono questi gruppi. Infine, mentre i grafi casuali hanno una distribuzione dei gradi dei nodi che si approssima ad una poissoniana, in molte reti reali questa segue una legge di potenza, con molti nodi poco connessi e pochi nodi altamente connessi (hub). Sono stati quindi proposti altri modelli: il modello “piccolo-mondo” di Watts e Strogatz, che tiene conto del clustering ed è intermedio tra una rete casuale e una rete ordinata, e il modello a invarianza di scala (Albert e Barabasi), che spiega le reti regolate dalla legge di potenza.

L’oggetto di studio del presente lavoro sono le reti metaboliche cellulari. Infatti anche il sistema delle reazioni metaboliche che avvengono all’interno della cellula può essere rappresentato da una rete, i cui nodi sono le molecole, collegate tra loro dalle reazioni chimiche. L’obiettivo di questo lavoro è quello di studiare le reti metaboliche di diversi microrganismi. Si è partiti dall’analisi della rete metabolica di Wolbachia pipientis, simbionte intracellulare del nematode filaride Brugia malayi. Questa è stata poi confrontata con le reti metaboliche di altri simbionti appartenenti allo stesso ordine di Wolbachia, quello dei Rickettsiales,e di endosimbionti di insetti, Wigglesworthia glossinidia, Sodalis glossinidius e Buchnera aphidicola, oltre alle reti di batteri a vita libera, Escherichia coli, Salmonella enterica e Magnetospirillum magneticum. Lo scopo di questi confronti è quello di verificare la presenza di eventuali differenze nelle reti metaboliche di batteri simbionti e a vita libera, oppure differenze legate alle loro relazioni filogenetiche.
 
Di ogni rete sono state studiate la topologia e il cammino medio tra ogni coppia di nodi, allo scopo di verificare se possono essere ricondotte ai modelli di rete proposti negli ultimi decenni. È emerso che le reti metaboliche degli organismi studiati sono reti a invarianza di scala; queste reti presentano inoltre un basso numero medio di passaggi per connettere qualsiasi coppia di nodi, dimostrando di possedere la caratteristica di piccoli mondi.

Viene inoltre presentato un metodo per individuare le molecole chiave del metabolismo cellulare e gli scambi di sostanze tra i simbionti. Si propone quindi un nuovo approccio, basato sulla teoria delle reti, per lo studio delle interazioni simbiotiche.


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