La resistenza dei sistemi naturali: un mistero che affascina

La complessità dei meccanismi naturali rappresenta una delle sfide più intriganti e difficili da affrontare. Un mistero affascinante è come i sistemi naturali riescano a essere così resistenti. Come fanno a mantenere comportamenti stabili e proprietà fondamentali per la sopravvivenza nonostante le enormi variazioni ambientali e l’incertezza del contesto in cui operano?

La ricerca di Giulia Giordano: una finestra sulla complessità

L’attività di ricerca di Giulia Giordano mira a rispondere a queste domande studiando fenomeni complessi in vari campi, dalla biologia all’ecologia, dalla medicina all’epidemiologia. Il suo lavoro si inserisce anche nel progetto INSPIRE (Integrated Structural and Probabilistic Approaches for Biological and Epidemiological Systems), finanziato dall’European Research Council (ERC).

La straordinaria resistenza (si parla anche di: robustezza) dei fenomeni biologici si manifesta a tutti i livelli, dalle interazioni tra proteine alle complesse reti di regolazione genetica all’interno delle cellule, fino al comportamento coordinato di tessuti, organi, organismi e specie viventi. Un esempio emblematico è dato dal batterio Escherichia coli, il quale si sposta alternando fasi di corsa rettilinea a fasi di rotazione su se stesso, esplorando lo spazio in un percorso casuale (come mostrato in Figura 1). Sorprendentemente, la frequenza di queste fasi rimane costante nonostante le variazioni ambientali. Anche quando l’ambiente viene perturbato, ad esempio con l’iniezione continua di glucosio, la frequenza subisce solo una temporanea alterazione, per poi ritornare al suo valore originario. Come riesce il batterio a mantenere questa sistematicità? La risposta richiede la costruzione di un modello matematico del comportamento del batterio: al sistema di equazioni possiamo associare una visualizzazione della loro struttura, che mostra come le variabili del sistema interagiscono tra loro. È chiaro che tutto dipende dall’interconnessione dei componenti che regolano il movimento del batterio, piuttosto che dalle caratteristiche specifiche dei singoli componenti stessi.

Per trovare la chiave della resistenza di un sistema, il progetto INSPIRE (Figura 2) guarda alla sua struttura, ossia al modo in cui i suoi componenti fondamentali sono collegati e interagiscono tra loro. In moltissimi casi, la struttura da sola ci consente di comprendere perché un sistema manifesta un preciso comportamento qualitativo a prescindere da tutto il resto, anche a fronte di incertezze e perturbazioni, come nel caso del batterio E. coli. Intervenire sulla struttura è importante anche per controllare un sistema con precisione, così da indurre il comportamento desiderato; ad esempio, il batterio E. coli è stato ingegnerizzato, alterando la struttura del suo DNA in modo da indurlo a produrre insulina.

Giordano aspira anche a intervenire con maggiore precisione sulla struttura dei fenomeni naturali utilizzando nuovi farmaci e biotecnologie. È convinta che questo approccio possa migliorare significativamente la nostra vita e il nostro benessere, permettendo di creare sistemi artificiali robusti e resilienti.

La ricerca di Giulia Giordano ci offre una nuova prospettiva sulla robustezza dei sistemi naturali, mettendo in luce l’importanza della struttura nelle dinamiche dei sistemi complessi. Questo approccio potrebbe rivoluzionare il modo in cui comprendiamo e interagiamo con i sistemi biologici, aprendo la strada a nuove soluzioni in medicina, ecologia e biotecnologie. La natura continua a insegnarci lezioni preziose, e attraverso la ricerca di scienziati come Giordano, possiamo sperare di applicare queste conoscenze per migliorare la nostra vita e affrontare le sfide future con maggiore resilienza e precisione.