Il matematico che diventò un biologo Inspire article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Theodore Alexandrov ha preso ciò che ha imparato lavorando nel campo dell’economia applicandoli ai prodotti chimici a scapito nostro.

Forse potreste non sapere quanto la biologia del vostro corpo ha in comune con il funzionamento della tua carta di credito o del sistema bancario globale – e neanche Theodore Alexandrov lo sapeva, all’inizio . Ma Theodore ora sta utilizzando gli  algoritmi matematici dell’economia per analizzare le informazioni sulle innumerevoli molecole prodotte dalle nostre cellule.

Theodore e il suo gruppo stanno sviluppando una nuova tecnologia che illustra la posizione delle molecole una rispetto all’altra nello spazio (3D). Il lavoro ha prodotto una nuova comprensione spaziale dei processi biologici, come il metabolismo delle nostre cellule e le interazioni tra i microbi dell’ambiente, oltre ad offrire spunti di come potrebbe andar male. Theodore osserva che: “Se vogliamo capire realmente come funzionano questi processi, dobbiamo vedere dove si trovano tutte queste molecole”.

Metabolomics
I ricercatori stanno sviluppando una rappresentazione più chiara dell’ambiente molecolare della superficie della nostra pelle.
Immagine cortesemente fornita da Theodore Alexandrov

Il campo nel quale Theodore e il suo team lavorano è detto metabolomica: lo studio dell’impronta biochimica prodotta dalle reazioni nelle nostre cellule. Il metabolone di una persona è molto complesso e pure dinamico: quando ad esempio, si compie un semplice compito facendo qualcosa di innocuo come bere una tazza di caffè o mangiare un sandwich, per esempio, si altera in pochi secondi, drammaticamente la composizione delle l’insieme di sostanze prodotte dalle nostre cellule – in un tempo di alcuni secondi.  Differenti tipi di cellule  e tessuti possiedono differenti metabolismi, che possono variare in conseguenza di una malattia o di una  modifica dell’ambiente.  I ricercatori sono desiderosi di capire come avvengono queste variazioni per ottenere nuove prospettive per i processi sia normali che anormali nel del nostro corpo.

Mappe molecolari

Per identificare le molecole contenute in un campione, i ricercatori solitamente ricorrono ad un metodo conosciuto come spettrometria di massa, o abbreviando, mass spec. In questa tecnica si utilizza la ionizzazione delle molecole e si sfruttano campi magnetici ed elettrici per “pesare“ ciascuna molecola. La macchina produce degli schemi detti spettri, che i ricercatori interpretano. Tuttavia, alcune molecole entrano nello schema in una forma leggermente differente, così lo spettro di campioni può contenere molte molecole con schemi differenti e risulta così molto difficili da decifrare.

Nuovi sviluppi in questo campo stanno fornendo molte informazioni che gli scienziati si contendono. Per esempio una immagine dello spettrometro di massa non solo identifica le molecole ma anche ne determina la posizione spaziale. Gli scienziati riescono ad inserire una coltura cellulare o una sezione di un tumore e utilizzare il laser per vaporizzare sistematicamente punto per punto al suo interno. Successivamente incrociando i risultati individuano le molecole dall’immagine che le hanno generate. Porre in relazione le informazioni sulla localizzazione con la spettrometria di massa, richiede un software molto potente che Theodore è stato in grado di realizzare essendo nella posizione ideale per svilupparlo dato il suo background. 

Dalla Matematica alla Spettroscopia di Massa

Theodore Alexandrov
Theodore Alexandrov
Immagine fornita gentilmente
da EMBL Photolab / Marietta
Schupp

Avendo completato un PhD in matematica e statistica nella sua città di St Petersburg in Russia, Theodore si è imbarcato in un progetto di ricerca post-dottorale a Brema in Germania, facendo per un certo tempo, previsioni di transizioni bancarie per una società di carte di credito. In questo contesto, un suo collega aveva scoperto che la capacità di Theodore nello sviluppo di algoritmi di controllo di come le cose variano rapidamente nel tempo potevano essere applicate ai campi che variano rapidamente nella spettroscopia di massa. Ha detto “Questo è il mio perfetto campo di applicazione”, “Noi lavoriamo con gigabyte e persino terabyte di dati, e il mio background in matematica ci aiuta molto.”

Nel 2012, assieme a Pieter Dorrestein dell’Università della California, San Diego, USA, Theodore se ne è venuto con l’idea di creare una mappa dei metaboliti della pelle umana. Questa idea crebbe rapidamente tanto da coinvolgere molti altri colleghi internazionali per rappresentare sia metaboliti che microbi della pelle. Combinando la spettroscopia di massa e le informazioni delle immagini, il team fu in grado di creare una mappa in 3D delle molecole che si aggrappano alla pelle di due volontari. Cos’altro, hanno correlato anche questa mappa con le informazioni della distribuzione di differenti specie microbiche. “Quello che è unico nel nostro approccio è che abbiamo cercato di considerare le informazioni spaziali facenti parte della nostra analisi,” così dice Theodore.

Molecole e microbi

Grazie a a analisi spaziale, adesso si possiede una migliore visione dell’ambiente molecolare della superficie della nostra pelle. Costituisce anche un punto di partenza per capire se questo ambiente può condizionare la relazione tra la nostra pelle e i microbi residenti. L’interconnessione tra le nostre cellule e i trilioni di microbi che abitano il nostro corpo è diventata di alto interesse della ricerca, poiché è risultato evidente che questi microbi hanno una profonda influenza sulla nostra salute (vedi Viosca, 2015, sulle colonie di microbi nella nostra bocca).

Poter usufruire delle tre dimensioni nella spettroscopia di massa promette una rivoluzione in molte aree della ricerca. “Adesso è utilizzata nella pratica clinica, nella ricerca biomedica e in farmacia,” spiega Theodore. Un esempio chiave è quello della ricerca sul cancro. I tumori evidenziati contengono cellule che si differenziano una dall’altra. Capire queste differenze è perciò di vitale importanza se vogliamo imparare qualcosa in più di come si sviluppano le malattie e come progrediscono “Una cellula può cambiare tutto,” dice Theodore. “Adesso. Possiamo vedere la differenza molecolare tra cellule.” 

Conquiste della comunità

Dal momento in cui Theodore si è unito al gruppo del Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare (EMBL)w1 nel Novembre del 2014, e il suo team hanno lavorato su due progetti tecnologici. Il primo è una continuazione della collaborazione con il gruppo di Dorrestein, e consiste nello sviluppo di strumenti bioinformatici per rappresentare la distribuzione spaziale delle molecole in diversi ambienti. Il secondo progetto prevede lo sviluppo di nuovi algoritmi e infrastrutture hardware con il cui utilizzo si possa identificare ancor più molecole nei loro campioni. Sino ad ora, il fatto che una molecola può generare centinaia di segnali differenti in uno spettrometro di massa significa che gli scienziati riescono solamente ad interpretare una piccola frazione di dei loro spettri. “Sono quasi sicuro” dice Theodore “che stiamo solo scalfendo la superficie: non abbiamo ancora ottenuto l’intera rappresentazione molecolare” Questo lavora pone le basi di un progetto Europeo di cui Theodore è il coordinatore, e che raduna otto partners tra accademia e industria. Egli spiega “ Sono tutti interessati a far diventare questo lavoro uno sforzo comunitario.”

Ma anche se il suo team è aggrappato alla sfida dello spettrometro di massa applicato al movimento nelle tre dimensioni, Theodore è già proiettato nella quarta dimensione. E’ stato in grado di osservare il metabolone nel tempo così come nelle tre dimensioni spaziali e quindi mettere in grado gli studiosi di poter rappresentare i  processi biologici mentre si verificano. “Lo studio è ancora preliminare, e dovremo essere in grado di aumentare la risoluzione per capirne realmente la complessità”, dice altresì. “Ma possiamo già osservare come varia il metabolone nel tempo.” 

EMBL

EMBL logo

Il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare (EMBL)w1 è una delle maggiori istituzioni in campo mondiale, dedicate alla ricerca di base nella ricerca della vita. L’EMBL è un organismo internazionale ed è innovativo e interdisciplinare nella sua costituzione. Impiega circa personale provenienti da 60 nazioni con un background in biologia, fisica, chimica e informatica e collaborano sull’intero spettro della biologia molecolare.

L’EMBL è un membro del Forum EIROw2, l’Editore di Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Per maggiori informazioni sul’ EMBL.
  • w2 – EIROforum è una collaborazione tra otto organizzazioni scientifiche inter-governative, le quali condividono le loro risorse, mezzi e professionalità per supportare le scienze Europee nel raggiungimento del suo pieno potenziale. Come parte integrante delle sue attività di sensibilizzazione e  educative, EIROforum pubblica Science in School.

Institution

EMBL

Author(s)

Claire Ainsworth è una giornalista scientifica freelance che ha bome base l’Hampshire, UK. Normalmente scrive sulla genetica e la biomedicina, ma una volta si è incontrata con un dragone. Uno reale. Puoi trovarlo su Twitter: @ClaireAinsworth




License

CC-BY-NC-ND