Sulle tracce degli artisti del cambio rapido
A volte virus e batteri cambiano geneticamente in modo tale da sviluppare nuove caratteristiche che li rendono più pericolosi per l'uomo. I modelli matematici di Tanja Stadler fanno luce sulla velocità con cui possono cambiare e diffondersi.
Come mai molti antibiotici non funzionano più negli animali e nell'uomo? Qual è il legame tra la resistenza agli antibiotici dei batteri e dei virus che causano malattie infettive come l'influenza o l'ebola? E cosa hanno in comune con l'evoluzione dei pinguini?
Per quanto diversi siano questi fenomeni: I processi che li sottendono possono essere descritti con modelli matematici molto simili. ? qui che entra in gioco Tanja Stadler con la sua ricerca fondamentale. In qualità di professoressa del Dipartimento biosistemi, la matematica si occupa attualmente di virus, batteri, cellule staminali e origine delle specie.
I ricercatori si concentrano sulle informazioni genetiche contenute nel materiale genetico di tutti gli organismi viventi e dei virus. Grazie ai più recenti metodi di analisi biologica, come il sequenziamento del DNA, queste informazioni sono ora facilmente disponibili. Esse forniscono informazioni sui processi che influenzano il corso delle epidemie o dell'evoluzione. In linea di principio, le sequenze genetiche possono essere lette come un "libro della vita".
Modelli come lenti d'ingrandimento
Galileo Galilei disse che il libro della natura è scritto nel linguaggio della matematica. Entrambe le immagini si addicono a Tanja Stadler, che combina la ricerca matematica fondamentale con le applicazioni in biologia e medicina. "Progettiamo modelli matematici che possono essere utilizzati per comprendere e spiegare lo sviluppo e il cambiamento dell'informazione genetica", spiega l'autrice. Questi modelli possono essere immaginati come una lente d'ingrandimento che può essere utilizzata per comprendere passaggi precedentemente illeggibili del libro della vita".
Stadler trae la base teorica dei suoi modelli dalla stocastica: questa branca della matematica studia i processi casuali e i modelli per eventi e sviluppi che si verificano solo a volte perché il caso gioca un ruolo e per i quali è impossibile prevedere esattamente quando si verificheranno. I processi di nascita e morte sono un ambito specialistico della ricerca della Stadler. Li applica alle mutazioni genetiche e alla riproduzione. Anche le mutazioni si verificano improvvisamente e solo a volte. Ma quando si verificano, vengono ereditate in eventi riproduttivi casuali.
Stadler utilizza processi casuali per analizzare i tassi di cambiamento: Quanto velocemente cambiano le informazioni genetiche di uomini e animali, organismi e virus? Quanto velocemente vengono trasmesse alla prole o addirittura trasferite ad altre specie? Si tratta di cambiamenti a lungo termine: Insieme a ricercatori neozelandesi, è riuscita a dimostrare che la prima specie di pinguino è emersa 12,5 milioni di anni fa.
I cambiamenti rapidi sono particolarmente interessanti per la medicina e per la gestione delle epidemie: I virus dell'influenza mutano in modo tale che i pazienti vengono infettati da virus con mutazioni molto diverse in un'epidemia che dura solo pochi mesi. I batteri nella produzione animale possono mutare nel giro di settimane o mesi in modo tale da sfuggire agli effetti degli antibiotici. Ma quanto velocemente trasmettono questa resistenza alla generazione successiva o infettano gli esseri umani?
"Se disponiamo di dati genetici aggiornati, possiamo determinare la velocità di diffusione di un virus mutato o di un batterio resistente in una città o in una regione e trarre conclusioni sul rischio di infezione per le persone", spiega Stadler. ? inoltre possibile tracciare le vie di trasmissione di un agente patogeno: Quanto più simili sono le informazioni genetiche di agenti patogeni provenienti da due persone diverse, tanto più direttamente l'agente patogeno è stato trasmesso tra queste persone.
Dati scarsi, modelli intelligenti
Tuttavia, le vie di trasmissione degli agenti patogeni nel corso di un'epidemia sono spesso così contorte e casuali che Stadler deve accontentarsi di dati di sequenziamento relativamente scarsi. Nella maggior parte dei casi, si conosce solo la sequenza genetica di un agente patogeno proveniente da pochi pazienti o animali, e solo in un singolo momento durante l'infezione: "dati scarsi" è la parola chiave, non "big data". "Lavoriamo sempre con istantanee incomplete", dice. ? come cercare di scrivere la storia di un'intera città avendo a disposizione solo una fotografia".
Come un detective, Stadler usa il suo fiuto scientifico per ottenere una base di dati significativa. A tal fine, collabora con i ricercatori dell'Ospedale universitario di Basilea, ad esempio sui batteri coli resistenti agli antibiotici. Per stimare la loro diffusione, ha combinato i dati dei pazienti dell'ospedale con quelli della produzione animale e agricola e delle acque reflue. Tra l'altro, i dati di sequenza dovrebbero fornire informazioni su cosa succede quando si sviluppano germi resistenti nella produzione animale. Affinché i modelli matematici possano compensare l'incompletezza dei dati, le loro ipotesi devono corrispondere allo stato delle conoscenze in biologia e medicina, afferma Stadler. Altrimenti i risultati saranno imprecisi, come ha dimostrato l'epidemia di Ebola del 2014.
Tanja Stadler ha un sogno: sta ancora scrivendo un modello separato per ogni singola domanda. Uno per l'influenza, uno per i batteri coli, uno per i pinguini e così via. Come i membri di una famiglia, questi modelli condividono alcune caratteristiche. Da ciò, e "poiché posso dire per ogni modello a quali domande non risponde", Stadler vuole ricavare un "super modello" che possa essere applicato in egual misura a virus, batteri, animali ed esseri umani. "Mi piace particolarmente questo tipo di domande di ricerca generali".?