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Tesi etd-12012008-100618


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
FRESCHI, LUCA
URN
etd-12012008-100618
Title
LA FOTOTRASDUZIONE IN HALOBACTERIUM SALINARUM: UN CASO DI STUDIO PER LA SYSTEMS BIOLOGY
Struttura
SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di studi
SCIENZE E TECNOLOGIE BIOMOLECOLARI
Commissione
Relatore Prof. Marangoni, Roberto
Parole chiave
  • gillespie
  • systems biology
  • halobacterium
Data inizio appello
15/12/2008;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
15/12/2048
Riassunto analitico
Uno dei problemi aperti della Systems Biology è la descrizione e modellizzazione delle vie di segnalazione (signaling pathway). I pathway metabolici studiati finora, come la glicolisi, non presentano grandi differenze nelle concentrazioni dei metaboliti o nei valori delle costanti cinetiche delle
reazioni. Al contrario, i signaling pathway mostrano differenze in queste grandezze tipiche del sistema tali da generare dei problemi di scala. Ne consegue che l'approccio modellistico
deve essere necessariamente più complesso.
Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di realizzare un modello di uno specifico signaling pathway. Inoltre, verranno messi in evidenza i limiti che un approccio di questo tipo comporta. Il pathway oggetto di studio è la fotopercezione di Halobacterium salinarum.
Questo organismo, appartenente al dominio degli Archea, può nuotare in avanti e all'indietro
attraverso alcuni flagelli localizzati nella regione distale del corpo cellulare. La direzione del moto è stabilita in base al senso di rotazione dei flagelli (che può essere orario o antiorario). In assenza di stimoli esterni, lo switch tra questi due stati (definito reversal) avviene spontaneamente ad
intervalli piuttosto regolari (dell'ordine di 10 secondi).
L'alobatterio può rispondere a vari stimoli esterni alterando la frequenza dei reversal (RF, Reversal Frequency): uno stimolo attraente diminuisce la RF, mentre uno stimolo repellente la aumenta. In particolare, H.
salinarum risponde in maniera differente a bande spettrali diverse: la luce arancione, ad esempio, agisce
come attraente, mentre la luce blu come repellente.
L'esposizione simultanea ad entrambe le bande dà origine ad un comportamento complesso.
Rispetto a signaling pathway simili, come la chemiotassi, la fotopercezione risulta molto più interessante ed informativa perché offre uno spettro più ampio di risposte comportamentali.
Per costruire il modello del pathway è stata innanzitutto definita la topologia della rete di reazioni attraverso un'analisi
della letteratura. Il punto critico di questa fase è stato assegnare le costanti cinetiche alle varie reazioni. I dati presenti in letteratura, infatti, sono pochi e spesso non coerenti poiché le varie costanti sono determinate in condizioni sperimentali diverse.
Il passo successivo è stato quello di realizzare un simulatore che permettesse di verificare la risposta del modello ai vari stimoli. Il simulatore richiede come input le caratteristiche dello stimolo ottico somministrato (intensità, composizione spettrale, ...) e restituisce le concentrazioni dei vari metaboliti nel tempo.
L'analisi di questo output permette di stabilire la RF, che può essere direttamente confrontata con quella dell'alobatterio reale. L'approccio simulativo che è stato utilizzato si avvale dell'algoritmo di Gillespie: un algoritmo stocastico che permette di calcolare la dinamica temporale di un sistema di reazioni chimiche. Rispetto ad altri approcci classici (per esempio quelli basati sulle equazioni differenziali), questo paradigma ha il grande vantaggio di permettere la composizionalità. Questo significa che è possibile aggiungere nuove componenti al modello (singole reazioni o interi pathway) in maniera relativamente semplice e senza che ciò
comporti una profonda revisione del modello stesso.
Questo studio rappresenta un punto di partenza per modellizzare reti di reazioni più complesse che potranno fornire una comprensione a livello molecolare delle dinamiche
che avvengono all'interno della cellula.
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