La teoria delle reti negli studi genomici

La teoria delle reti negli studi genomiciSINTESI‘Le reti sono ovunque’: in qualsiasi momento, noi siamo il risultato ma anche parte integrante di svariate reti a partire dal livello microscopico fino a reti che avvolgono l’intero globo terrestre. Matematicamente la rete è un grafo in cui degli oggetti (nodi) sono collegati tra loro da legami (link) di varia natura.E’ stato dimostrato

La teoria delle reti negli studi genomici

SINTESI
‘Le reti sono ovunque’: in qualsiasi momento, noi siamo il risultato ma anche parte integrante di svariate reti a partire dal livello microscopico fino a reti che avvolgono l’intero globo terrestre. Matematicamente la rete è un grafo in cui degli oggetti (nodi) sono collegati tra loro da legami (link) di varia natura.

E’ stato dimostrato che attraverso la nostra rete di conoscenze è possibile raggiungere qualsiasi altra persona del mondo con, in media, solo 6 passaggi (o ‘6 strette di mano’ nella visione comunemente nota come “i sei gradi di separazione”); nel web è possibile passare da una qualunque pagina web ad un’altra scelta a caso con in media 11 click; la media dei gradi di separazione tra le specie all’interno della rete alimentare, tra i neuroni nella rete neurale del nematode Caenorhabditis elegans, tra le molecole all’interno della cellula varia tra 2 e 14. Queste reti, pur apparentemente così diverse tra loro, posseggono caratteristiche comuni e sono definite ‘piccolo-mondo’ perché possiedono una elevata connettività: è possibile passare da un nodo all’altro con un numero molto basso di passaggi. Le reti piccolo-mondo e molte altre fanno parte della categoria dei sistemi complessi in quanto sono composti da molti elementi interagenti il cui comportamento globale non è comprensibile né prevedibile dallo studio delle singole parti.
 
La disciplina che si occupa di comprendere questi fenomeni è la teoria delle reti che rappresenta uno dei più recenti sviluppi della scienza della complessità e coinvolge discipline molto distanti tra loro come fisica, sociologia, biologia, informatica, economia. La teoria delle reti si pone come obbiettivo quello di sviluppare nuovi approcci e tecniche per comprendere i sistemi naturali e artificiali; per esempio si è scoperto che attraverso le reti è possibile comprendere la dinamica di molti fenomeni per molto tempo ritenuti troppo complessi o complicati per poter essere spiegati: la diffusione delle epidemie, la crescita di Internet o i processi di comunicazione, per citarne solo alcuni.

Lo studio delle reti pone le sue radici nella ben più antica teoria di grafi fondata tre secoli fa da Eulero, che per primo rappresentò una situazione reale tramite un grafo, cioè un insieme di nodi connessi da link. Da allora vari modelli sono stati proposti per spiegare e rappresentare le reti reali: per primi furono due matematici ungheresi, Erdos e Rényi che si accorsero che i grafi reali non sono affatto regolari, ma estremamente complicati ed equipararono la complessità alla casualità. Ma l’esperienza personale di ciascuno e la sociologia, una delle prime discipline che iniziò a ‘pensare a rete ’, contraddicono la loro proposta: il modello casuale non coglie molte delle caratteristiche delle reti sociali come per esempio la vicinanza geografica tra le persone o il tipo di legame che si instaura tra i nodi.
 
Il primo esperimento applicato alle reti sociali risale alla fine degli anni Sessanta, fu realizzato dal sociologo Stanley Milgram e portò alla scoperta che è sufficiente una catena di sei persone (i già citati “sei gradi di separazione”) per mettere in relazione un individuo qualsiasi sul pianeta con qualunque altro. Il sociologo Mark Granovetter nel 1973 dimostrò che in una rete sociale i legami più importanti che mantengono la coerenza di una rete sono paradossalmente i legami deboli, cioè le conoscenze più superficiali che fungono da “ponti” tra gruppi di amici. Furono Watts e Strogatz che nel 1998 collegarono ingegnosamente i due lavori: scoprirono che i nodi si posso collegare in maniera né ordinata né casuale proponendo un nuovo modello di rete che si trova a metà tra i due estremi: partendo da una rete regolare e, aggiungendo delle connessioni casuali, i due ricercatori ottennero un nuovo modello di rete denominato “piccolo-mondo”. Le reti piccolo-mondo sono caratterizzate da un basso grado di separazione, cioè ogni coppia di nodi è collegata attraverso un numero minimo di passaggi, e da un alto coefficiente di clustering cioè ci sono piccoli gruppi di nodi altamente connessi al loro interno e allo stesso tempo collegati agli altri cluster da legami deboli.

Infine grazie all’accessibilità a Internet e a numerosi studi condotti con lo scopo di mappare il web è stato possibile scoprire un nuovo modello di rete più realistico: le “reti a invarianza di scala” (Barabási e Albert, 1999). In queste reti esistono nodi altamente connessi (hub) che acquisiscono link con maggiore rapidità di quelli che hanno pochi collegamenti, determinando una ripartizione delle connessioni distribuita secondo una legge di potenza. Questo tipo di dinamica sembra essere particolare ed esclusiva dei sistemi complessi, anche di quelli biologici. Nelle reti metaboliche, oggetto di studio di questo lavoro, i nodi rappresentano i substrati e i link le reazioni; contando il numero di substrati con ugual numero di connessioni si ottiene una legge di potenza, con pochi nodi che hanno molte connessioni e molti nodi con un basso numero di link.
 
La mia tesi si inserisce in una linea di ricerca volta allo studio delle simbiosi tra metazoi e microrganismi attraverso la teoria delle reti. In particolare, l’obbiettivo della presente tesi è quello di studiare le reti metaboliche di diversi microrganismi che hanno instaurato con l’ospite diversi tipi di simbiosi. Particolare attenzione è stata rivolta alle simbiosi parassitarie, per indagare la relazione ospite-parassita, nei casi particolari di batteri che provocano patologie nell’uomo: specifico modello principale delle analisi è stato il batterio Wolbachia pipientis, simbionte intracellulare di nematodi filaridi.

 

Da sotto è possibile scaricare l’intera tesi in formato PDF.

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