Si vuole simulare il comportamento della dinamica di sequenze di DNA immerse in un fluido non neutro a temperatura costante, implementando i modelli nell' ambiente software SIMP/STEP, dedicato alla simulazione di automi cellulari.
Si prendono in considerazione singoli filamenti di doppia
elica e si impone che vengano rispettate le leggi della fisica
classica e condizioni aggiuntive che chiamiamo di "connettività" e
"volume escluso", si attribuisce ai monomeri velocità di movimento
diverse e specifiche, determinate in relazione alla temperatura
media di fusione di coppie di basi in cis.
L' implementazione permette
di effettuare misurazioni del movimento del baricentro
delle stringhe nel caso di figure chiuse (rombo) e di figure
aperte (rombo aperto); confrontando tra loro i risultati ottenuti
si può affermare che le estremità libere influiscono sul
movimento e si può valutare quantitativamente quest'effetto.
Studiare il movimento di "filamenti di DNA" è importante sia per
approfondire la conoscenza delle proprietà interne della doppia
elica, sia per capire come le diverse conformazioni da essi
assunte influiscano sul cambiamento delle proprietà di
interazione della molecola con l'esterno.
Inoltre, si studiano stringhe aperte per determinare in che modo la
qualità dei monomeri terminali influenzi il movimento globale
della molecola. L'emergere di queste proprietà legate alle
estremità richiede, quindi, una complessità minima del sistema. Al
di sotto di una lunghezza minima la proprietà ''effetto di
estremità'' non compare.
L'approccio con il quale è stato affrontato lo studio delle simulazioni è
fenomenologico ed è basato sulla creazione di programmi per computer che
simulano il comportamento di insiemi di unità. Le caratteristiche di queste unità collegate in stringhe sono programmate per simulare, in modo semplificato e modellizzato, le proprietà di base del DNA.
L'idea di base consiste nel simulare il comportamento dei singoli
componenti adottando le seguenti scelte:
Inoltre rappresentiamo la doppia elica come serie di monomeri
intrinsecamente collegati (la base A con la base T, e la base G
con la C), ma escludiamo la possibilità di separazione tra i due
filamenti.
Il movimento di "filamenti di DNA" è stabilito determinando la
velocità dei monomeri in relazione alle condizioni chimico-fisiche dell'ambiente in
cui si trovano: l'effetto di queste
condizioni è direttamente valutabile dalla misura della
destabilizzazione della struttura della doppia elica e
quest'ultima viene correlata quantitativamente con la
temperatura media di fusione della doppia elica, cioè con la
temperatura che mediamente è necessaria per dividere la doppia
elica in due filamenti: risultati sperimentali
stabiliscono che quanto più tale temperatura è alta, tanto più le
molecole si muovono lentamente nella reazione all'ambiente
circostante.
Lo studio strutturale si basa sull' osservazione del
comportamento dinamico dei filamenti, si selezionano
per lo studio alcune variabili globali che possano rivelare l'
emergenza di proprietà strutturali derivanti non dal comportamento
delle singole componenti, ma dalla loro interazione e dal fenomeno osservato nella sua interezza.
Le variabili che abbiamo scelto sono la distanza tra le due
estremità per stringhe aperte di diversa lunghezza e
il movimento del baricentro del sistema nel caso di figure chiuse
e aperte studiandone il comportamento nel tempo.
Quello che risulta emergere dalle simulazioni sono le
differenze tra:
Nell'ambiente SIMP/STEP il numero di bit messo a disposizione
non è molto elevato, infatti si ha un numero massimo di 20 bit da
suddividere tra tutti i piani necessari per la simulazione.
Nei modelli implementati sono stati definiti dei piani necessari
all'implementazione
La molecola del DNA è estremamente complessa.
La sua lunghezza può essere
di decine di milioni di unità nucleotidiche, limitate soltanto da fattori legati
ad efficienza di organizzazione genetica e di competizione replicativa.
I meccanismi alla base di
questa complessità strutturale sono di difficile studio e sono in genere analizzati su basi
esclusivamente genetiche e chimico-fisiche.
La modellizzazione bioinformatica è stata finora limitata dalla
scarsità di strumenti adeguati e dalla mancata diffusione di
modelli come gli automi cellulari.
Gli
automi cellulari forniscono un approccio metodologico in grado di
stabilire una base modellistica matematica.
È in questo quadro di
riferimento che il DNA viene considerato una "stringa" nell'
accezione informatica di sequenza finita di elementi (caratteri) e
che perde il suo significato genetico strutturale ma ne acquista
uno informatico.
In questo tentativo di ricostruzione semantica, l'uso delle
metodologie proprie degli automi cellulari ci ha permesso di
ricreare in forma di modelli informatici le proprietà di base del
DNA: la differenza di comportamento tra molecole lunghe e molecole
corte, tra molecole chiuse (topologicamente definibili) e molecole
aperte (che non lo sono), tra molecole asimmetriche e molecole
dotate di simmetria interna.
Il fatto che queste proprietà in
qualche modo ovvie e di controllo sistemico siano state qui
modellizzate pone le basi per lo studio di proprietà più complesse
quali quelle topologiche e quelle di relazione intermolecolare.
Il
fatto che il metodo sviluppato abbia rivelato l'emergenza di
proprietà legate alle estremità delle stringhe e ne abbia definito
il presupposto di complessità è la prova della validità del metodo
adottato.