• Gillespie algorithm
• liposomes
• simulazione stocastica
• synthetic biology

I complessi sistemi di reazioni biochimiche all’interno della cellula sono altamente compartimentalizzati, conseguenza di un importante fenomeno di macromolecolar crowding (sovraffollamento molecolare). E’ dunque importante determinare il comportamento e le proprietà di un sistema di reazioni in piccoli volumi. Sono stati riprodotti con successo diversi sistemi di semplici reazioni all’interno di vescicole lipidiche (liposomi) nell’ordine del micro/nanometro di diametro, osservando in molti casi una risposta cinetica diversa dalle reazioni in esame rispetto al comportamento in sistemi di grandi volumi. Questo fenomeno di divergenza tra piccoli e grandi volumi è in gran parte dipendente da fenomeni non completamente chiariti,
quali l’incapsulamento delle specie e il crowding molecolare, aspetti sempre più importanti man mano che l’attenzione si sposta verso i piccoli volumi. Recenti dati sperimentali dimostrano che il fenomeno dell'intrappolamento sembra non seguire un andamento casuale squisitamente probabilistico, ma un comportamento di tipo power-law (a legge di potenza), in cui solo pochissime vescicole intrappolano tante specie, mentre la maggior parte resta completamente vuota.
A tal proposito è stato intrapreso uno studio sui meccanismi generativi delle distribuzioni a legge di potenza calate nel contesto dell’incapsulamento (entrapment) delle specie all'interno di vescicole lipidiche.
Utilizzando un sistema cell-free di trascrizione/traduzione (PURESYSTEM™), volto alla produzione di EGFP all’interno di liposomi di POPC, è possibile monitorare la produzione di proteina fluorescente in liposomi di differente grandezza. Tuttavia, è molto difficile osservare la produzione di molecole fluorescenti in singole
vescicole di 100 nm di diametro; diventa così importante poter studiare in silico la di produzione di proteina in singole vescicole virtuali, utilizzando un modello formalmente valido del complesso sistema di reazioni del PURESYSTEM™.
QDC (Quick Direct-Method Controlled), è un software di simulazione stocastico precedentemente sviluppato in laboratorio, basato sull’algoritmo di simulazione SSA Direct-Method di Gillespie, tra i più usati in biologia computazionale/systems biology.
L’argomento della tesi riguarda l’uso di questo software nello studio delle oltre 100 reazioni biochimiche del PURESYSTEM™, comparando i risultati ottenuti in diverse condizioni (volume totale di reazione, concentrazioni delle specie, costanti cinetiche delle singole reazioni). Dopo aver affinato il modello in silico di Trascrizione/traduzione coupled (accoppiato), sono state effettuate delle simulazioni variando alcune variabili macroscopiche (concentrazioni delle specie e costanti cinetiche), mostrando un'importante dipendenza della traduzione dalla trascrizione, soprattutto considerando il
grande limite energetico di un sistema che non produce al suo interno nucleotidi trifosfato.