BIOLOGIA/ Nodi e rami mettono in rete la complessità della vita

- Alessandro Giuliani

ALESSANDRO GIULIANI e le nuove frontiere della post-genomica, sviluppatasi a partire dal sequenziamento completo del genoma umano: ecco che arriva il concetto di forma

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Una rete di contatto di proteine

La biologia post-genomica, sviluppatasi a partire dal sequenziamento completo del genoma umano e quindi dalla possibilità di avere dati ad alta dimensionalità su geni e proteine, ha costretto gli scienziati a prendere di nuovo in considerazione un concetto molto importante (ma da molti secoli relegato ai margini delle discipline sperimentali) della scienza e della cultura occidentale: il concetto di forma. Questa necessità è stata prepotentemente determinata dal riconoscimento di un numero esiguo di “pattern” (forme appunto) osservabili a fronte di un numero trans-finito di combinazioni teoricamente possibili: per cui poco più di 1000 folds (pattern strutturali) rendono ragione delle configurazioni di centinaia di migliaia di diverse proteine e solo 200-300 tipi cellulari – ognuno corrispondente a un profilo molto conservato di espressione genica relativo a circa trentamila geni distinti (ciascuno in teoria modificabile lungo quattro ordini di grandezza) – sono presenti negli animali superiori.

La presenza di “configurazioni” riconoscibili e ricorrenti ci costringe ad abbandonare un approccio riduzionista (e basato sul continuo) in cui il livello causale più ‘rilevante’ era invariabilmente situato al livello più microscopico del sistema, per focalizzare la nostra attenzione sulle “relazioni” tra gli elementi piuttosto che sulla disamina accurata dei differenti atomismi di un sistema. Ciò corrisponde ad assumere come oggetto privilegiato di analisi la forma; credo quindi sia di qualche interesse fornire delle indicazioni introduttive sui fondamenti epistemologici (antichissimi) di questo nuovo approccio che corrisponde né più né meno che a prendere sul serio la geometria.

Nella sua formulazione più sintetica una forma non è nient’altro che un insieme di vincoli (cioè di correlazioni) tra le parti di un oggetto, quindi un triangolo sarà quella particolare configurazione che obbedisce al vincolo che gli angoli interni abbiano una somma pari a 180°, una circonferenza sarà quella forma che obbedisce al vincolo che tutti i suoi punti si dispongano a una distanza fissa r detta raggio della da un punto chiamato centro. Se questi vincoli sono rispettati le dimensioni dell’oggetto possono cambiare ma la sua forma rimane identica.

Generalizzando appena un poco, potremmo definire una forma come un insieme ‘stabile di correlazioni’ tra gli elementi di un sistema; in questa accezione è immediato fornire una quantificazione universalmente valida di forma (shape) separandola dal concetto di dimensione, (size) senza imporre alcuna regola a priori ma lasciando che la ‘forma’ emerga spontaneamente dai dati sperimentali. Alcuni esemplificazioni sono presentate in un articolo sulla rivista Frontiers in Genetics, dal quale il presente testo trae ispirazione, descrivendo in maniera più accessibile i concetti ivi presentati.

L’uso delle forme come principio esplicativo e come strumento privilegiato d’analisi è da sempre la specialità del pensiero chimico. La peculiarità del pensiero chimico è infatti quella di occuparsi di forme o configurazioni stabili (le molecole) corrispondenti al soddisfacimento di vincoli costruttivi (e.g. le regole di valenza) che permettono l’esplorazione di uno spazio virtualmente infinito di combinazioni che però mantengono una coerenza interna molto forte, una correlazione fra le parti.

La presenza di regole che vincolano la forma delle molecole sono date, le forme non si possono modificare a piacere (almeno al livello più elementare delle regole di valenza, quanti legami una particolare specie atomica può intrattenere con un’altra) ma, attraverso reazioni chimiche una forma si può trasformare in un’altra forma discreta ammessa corrispondente a un’altra configurazione che soddisfa i vincoli di valenza.

Questa situazione rende possibile lo sviluppo di un modello particolarmente affascinante di “linguaggio universale” che è quello costituito dai grafi (o reti) in cui gli elementi costituenti il sistema vengono rappresentati da nodi e le relazioni tra loro intercorrenti da legami che li uniscono (archi o spigoli). Questo linguaggio consente un tipo molto particolare ed efficiente di pensiero sistemico. La Figura riporta due semplici “grafi chimici”, corrispondenti rispettivamente alle formule di struttura del metano e dell’acqua.

È cosa nota sin dai corsi introduttivi di chimica, che lo stesso atomo di idrogeno (quindi una identica entità) ha delle proprietà diverse quando si trova nella molecola del metano e quando si trova nella molecola dell’acqua. La più evidente di queste proprietà è la sua carica elettrica parziale, che è molto più elevata nell’acqua in quanto la maggiore elettronegatività dell’ossigeno (O) rispetto al carbonio (C) fa sì che gli elettroni condivisi nel legame covalente siano molto più ‘spostati’ verso l’ossigeno che verso il carbonio.

Questo è un esempio di ciò che filosofi e i metodologi chiamano causazione “top-down”, dal livello più generale a quello più particolare, in questo caso sono le proprietà generali della molecola che influenzano l’entità di livello più basso che è l’atomo. Allo stesso modo però, ciò da cui il metano e l’acqua derivano le loro caratteristiche generali (punto di fusione, di ebollizione, reattività chimica …) sono gli atomi costituenti e le loro relazioni reciproche; questa è quella che si chiama causazione “bottom-up”, dal basso verso l’alto: le proprietà del sistema più grande derivano dalle caratteristiche dei loro elementi costituenti.

Compresenza dei due modelli di causazione (che viene chiamata “middle-out” per rimarcare il fatto che la rappresentazione mette al centro la struttura di relazione) costituisce l’essenza del pensiero “sistemico”.  Le formule chimiche permettono di derivare molte caratteristiche fisico-chimiche delle molecole (peso molecolare, rifrazione molare, energia degli orbitali molecolari… ) e addirittura di proprietà collettive delle sostanze (punto di fusione, solubilità, punto di ebollizione…). Il linguaggio dei grafi chimici (formule di struttura) è insomma un linguaggio altamente generativo.

In che senso un grafo chimico come una formula di struttura può essere considerata una “forma”? Tenendo presente che “una forma è un insieme di relazioni che legano fra loro gli elementi di un sistema”, in una molecola gli elementi sono proprio gli elementi chimici, gli atomi, e le relazioni fra di loro corrispondono ai legami covalenti tra le specie atomiche.  Capiamo allora perché nel pensiero chimico le forme, descritte dalle formule di struttura, siano una primitiva: non è possibile (se non nel caso di forme transienti molto instabili che hanno una vita di pochi nanosecondi) attraversare uno spazio continuo di forme ma, con l’unica parziale eccezione di stati di transizione altamente instabili, solo “saltare” da una forma discreta ammessa (che soddisfa cioè i vincoli di valenza) ad un’altra. La “forma chimica” è dunque un’entità discreta, una molecola può essere trasformata in un’altra ma sempre attraverso un cammino che passa attraverso “forme ammesse”.

Le scienze biologiche si stanno (almeno nei loro settori più accorti) avvicinando a questo tipo di pensiero generativo attraverso l’enorme importanza che viene data alle reti di relazione di vario genere (reti metaboliche, reti di interazione proteina-proteina, reti di regolazione genica, reti ecologiche). La rete (o grafo) ha alla base, come abbiamo visto, il concetto di forma, che si interpreta come un insieme ordinato di relazioni tra gli elementi di un sistema; questa nozione ha una importanza cruciale per la comprensione delle interazioni proteina-proteina che porta alla formazione di vere e proprie nano macchine molecolari che portano avanti il metabolismo (ordinato!) che rende possibile la vita.

Fino a pochi anni fa queste reti (presenti a tutti i livelli dell’organizzazione biologica dal metabolismo cellulare agli ecosistemi) erano poco più che un suggestivo strumento di visualizzazione: l’attenzione era rivolta ai singoli costituenti di cui si cercavano le leggi costitutive e il ruolo funzionale.

L’ingegnere elettrico olandese Bernard Tellegen nel 1952 aveva formulato un teorema ben noto nel suo campo di ricerca ma con un significato che trascende di gran lunga quel campo e che non è stato finora sufficientemente apprezzato. Tellegen ha stabilito che il comportamento di ogni sistema formalizzato come una rete di relazioni, è definito dalle leggi costitutive dei singoli elementi (in una rete elettrica, le leggi che governano il funzionamento di un condensatore o di una resistenza) e dalla topologia della rete (in una rete elettrica, il particolare cablaggio degli elementi per formare un circuito). Questi due piani sono complementari e la topologia, cioè il modo in cui gli elementi sono connessi, quella insomma che abbiamo denominato forma, è una realtà indipendente entro il sistema che coesiste con le leggi costitutive. La stessa topologia, che dà luogo alle proprietà di rete, può risultare da infinite collezioni di elementi diversi; quindi esiste un livello di causalità e di spiegazione che ha natura puramente relazionale e non fa alcun riferimento agli oggetti che vi sono coinvolti. Questa proprietà (prima che Tellegen la esplicitasse in un teorema) era ben presente ai chimico-fisici degli anni trenta che utilizzavano i grafi molecolari (formule di struttura) delle molecole organiche per calcolare l’energia di legame.

Passando alla biologia, ciò implica l’esistenza di un piano di spiegazione che solo ora comincia ad essere esplorato: il fatto che un certo insieme di elementi (geni, proteine, cellule, animali…) intrattengano tra loro delle relazioni che possono essere rappresentate come una rete, comporta delle conseguenze importantissime sul sistema studiato dipendenti esclusivamente dal cablaggio della rete. Queste conseguenze non sono in contrasto con le leggi costitutive dei singoli elementi costituenti la rete ma le trascendono completamente (sono cioè le stesse qualsiasi sia la natura degli elementi costituenti).

L’acquisizione di questa consapevolezza (e la possibilità di costruire reti fondate saldamente su esperienze sperimentali) apre un mondo ancora sconosciuto alla biologia che forse per la prima volta sta per acquisire la maturità per prendere sul serio (e non solo come ritornello privo di conseguenze pratiche) la complessità della vita.

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