La modellazione dinamica per la biologia dei sistemi
I modelli computazionali basati sui dati rivestono un’importanza fondamentale nella comprensione dei sistemi biologici complessi e nelle procedure di ottimizzazione dei processi produttivi biotecnologici che utilizzano organismi ingegnerizzati. Per sviluppare modelli non lineari basati su numerosi parametri stimati derivanti dalla grande quantità di dati disponibili, tuttavia, sono necessarie conoscenze approfondite in termini di sviluppo, compilazione e ottimizzazione dei codici. I modelli attuali sono disponibili in numero limitato e rappresentano di solito condizioni caratterizzate da stati stazionari. Gli scienziati necessitano quindi di una struttura di modellizzazione globale che integri sistemi di analisi di dati, costruzione di modelli, stima dei parametri, quantificazione delle incertezze e ottimizzazione dei modelli sperimentali. Il progetto BIOPREDYN (From data to models: new bioinformatics methods and tools for data-driven predictive dynamic modelling in biotechnological applications), finanziato dall’UE, ha sviluppato una struttura di modellazione generale per non esperti che mira al trasferimento di dati e modelli avanzati dal mondo accademico al settore industriale. La rete collaborativa BIOPREDYN ha visto la partecipazione di partner accademici che hanno sviluppato gli algoritmi, utenti finali che hanno testato il software in ambiente biotecnologico commerciale e un’azienda che si occupa di modellazione di sistemi complessi per lo sviluppo della struttura di codici integrata. Il progetto BIOPREDYN è riuscito a sviluppare gli strumenti e le metodologie necessari per gestire dati biologici dipendenti dal tempo e dallo spazio. Queste tecniche sono state applicate per studiare percorsi complessi come la regolazione degli enzimi e il livello di descrizione ha incluso metabolismo, trascrizione, trasduzione del segnale e sviluppo. Il lavoro condotto ha permesso di ottenere dalle simulazioni risultati più accurati e di qualità superiore rispetto alle tecniche più avanzate attualmente disponibili. La suite software BioPreDyn è disponibile gratuitamente online sul sito web BIOPREDYN. La suite include gli strumenti software Path2Models, modelli qualitativi SBML, BioServices, Cyrface, CySBGN, CellNOptR, SBGN-ML e LibSBGN oltre a MIDER. I membri del progetto hanno affrontato una serie di difficili problemi di stima dei parametri per valutare e confrontare vari metodi. Tra di essi vi sono modelli cinetici del batterio E. coli, del lievito di birra S. cerevisiae, del moscerino della frutta D. melanogaster e di una rete generica di trasduzione del segnale. I due utenti finali che collaborano all’iniziativa hanno già integrato il software nelle loro strategie di produzione al fine di ottimizzare i processi. Il team BIOPREDYN ha fornito una struttura completa per la simulazione dinamica di percorsi biologici complessi che ha portato a varie pubblicazioni. Questi strumenti faciliteranno la ricerca nella biologia dei sistemi e miglioreranno la redditività delle industrie associate. Tra le applicazioni vi sono il settore alimentare, agricolo e dell’assistenza sanitaria.
Parole chiave
Modellazione dinamica, biologia dei sistemi, simulazione predittiva, struttura di modellazione, BIOPREDYN, stima dei parametri, progettazione sperimentale ottimale
