A ciascuno le sue analisi!

No, tranquilli. Non mi riferisco a nessuna analisi del voto politico in Italia: se ne discuterà abbastanza per mesi e in questo blog vorrei parlarvi di argomenti che per me sono molto più interessanti, appassionanti e, perché no?, divertenti! Questo mese ho deciso di parlare di analisi, perché ormai ho coperto una gran parte degli argomenti di base della biofisica computazionale, almeno così come la intendo, ma mi sono accorto di non aver ancora trattato proprio la parte che ritengo più importante. Da quanto ho discusso nelle puntate precedenti (e ormai questa è la quindicesima!) in realtà si potrebbe avere l'impressione che sia tutto relativamente facile. Per un buon calcolo di biofisica computazionale occorrono dei supercalcolatori (se non ci sono, eventualmente bisognerà usare un modello semplificato), un buon campo di forze (e ormai sono quasi tutti equivalenti, checché ne vogliano dire i fautori delle guerre di religione alle quali mi riferivo in un post precedente) e un buon programma per integrare le equazioni del moto. A quel punto, tutto diventa quasi automatico, occorre solo controllare che i supercalcolatori facciano il loro dovere.
Non è proprio così: un calcolo sputa fuori numeri, ma sono pur sempre numeri!

Senza un'accurata procedura di analisi quei numeri non hanno alcun senso. Ed è proprio l'analisi dei dati il punto cruciale in cui si inserisce la bravura del gruppo di ricerca che ha condotto un determinato studio. Nel corso dei circa quattro decenni in cui si è sviluppata la dinamica molecolare per le molecole biologiche (quella che io intendo, al momento, per biofisica computazionale) ci sono state varie fasi: in un primo momento sembrava davvero già un grande risultato ottenere i cosiddetti modi normali, cioè le tipiche oscillazioni delle molecole. Dai modi normali si cercava di intuire quali fossero i possibili movimenti e quindi i cambiamenti di conformazione delle molecole. 

Come si ottengono i modi normali? In pratica si prendono tutte le possibili interazioni fra gli atomi che compongono la molecola e si sostituiscono con delle forze elastiche. Per usare un'analogia, possiamo pensare di riunire tante persone in una stanza e distribuire un certo numero di molle elastiche, più o meno forti. Ciascun partecipante dovrà prendere un estremo di una molla e cercare un vicino a cui dare l'altro estremo, fino ad esaurimento delle molle e dei partecipanti. A quel punto diciamo a tutti di provare a spostarsi in una direzione casuale tenendo sempre le molle: ci saranno alcuni movimenti particolarmente facili e altri davvero complicati. Esiste un processo matematico che permette di determinare quali siano i movimenti base, in modo tale che tutti i possibili movimenti siano in realtà traducibili in una somma di questi movimenti base: i modi normali, appunto.

Tuttavia, a volte si ha l'impressione (e lo dico perché ho lavorato anche io con i modi normali) che il sistema funzioni un po' come la lettura dei tarocchi. Tra i ricordi dei tempi in cui ero giovane (!!!) c'è una signora che sosteneva di leggere il destino nelle carte: per fortuna non lo faceva per denaro, ma soltanto probabilmente per ammazzare il tempo in quelle torride estati italiane in cui davvero sembrava che non si facesse altro che aspettare che finissero, come è stato detto nel recente e italianissimo film "Chiamami col mio nome". La signora, con immancabile e serissima posa da luminare del settore, tirava fuori le carte, le disponeva sull'elegantissimo (si fa per dire) tavolo in plastica a bordo piscina e cominciava a chiedere alle sue interlocutrici (tipicamente erano donne, ma c'erano anche uomini, a volte): "Hai figli?", "Sì, due". "Eh lo vedo, c'è questo due di coppe". E poi continuava "come va con tuo marito?", "Eh, ogni tanto litighiamo ma ci vogliamo bene". "Eh, vedi c'è il sette di bastoni: ci sono problemi ma si risolvono. E la salute?". "Eh, un po' di dolori di schiena". "Eh, vedi? Ecco: il tre di spade!" E così via. In pratica la signora tirava fuori le informazioni direttamente dalla sua interlocutrice e poi cercava di riconoscere i segni di quelle informazioni nelle carte disposte sul tavolo. Dato che non ci guadagnava nulla, continuo a pensare che lo facesse in buona fede. Forse addirittura si convinceva lei stessa che il metodo funzionasse. Ecco, con i modi normali e le proteine a volte ho l'impressione che vada proprio così! Prima si cerca di capire come funziona una proteina, poi si interpretano i modi normali in funzione di quell'idea...

Naturalmente sto esagerando: in realtà si tratta di un buon metodo di indagine perché è sbrigativo e permette di descrivere molto bene le fluttuazioni, ovvero quali parti della proteina possono muoversi con più libertà. Tuttavia è sempre opportuno capire che, come si dice in inglese, "there is no such a thing as a free lunch", o, dalle mie parti "mangi come paghi". Il metodo costa poco e offre poco.

La dinamica molecolare costa ma fa molto di più: permette di ottenere anche un filmato dei movimenti. Questo è quello che si faceva soprattutto negli anni '90, con i primi programmi di visualizzazione e le prime workstation grafiche (famosissime le silicon graphics, che oggi sarebbero superate da un semplice smartphone).

Dagli anni 2000, la musica è cambiata: siamo tutti bravi a mettere su filmati con i movimenti calcolati mediante la dinamica molecolare. Inoltre ormai ci sono dinamiche che arrivano al microsecondo, un tempo inimmaginabile anche solo 10 anni fa, con decine di milioni di atomi. I filmati sono bellissimi, ma... cosa aggiungono alla scienza? Come risalire da quei filmati a ipotesi di lavoro che possano poi essere verificate negli esperimenti? Questo è il terreno per gli strumenti di analisi, soprattutto per quelle analisi in cui i risultati non possono essere anticipati in nessun modo, un po' come mettersi davanti alla signora delle carte e non dirle assolutamente nulla, lasciare che sia lei a indovinare quello che sta succedendo o è già successo. 

Molti strumenti vengono da una disciplina nota come analisi dei segnali: in effetti le traiettorie ottenute mediante dinamica molecolare sono sequenze di numeri nel tempo. Da questo punto di vista non sono molto diverse dagli andamenti delle borse nei vari mercati del mondo. In quel campo, i fisici hanno applicato con discreto successo diversi metodi sull'analisi dei segnali: la stessa cosa sta succedendo anche nel campo della biofisica computazionale, dove però c'è una complicazione aggiuntiva dovuta al fatto che è necessario capire quali segnali registrare. E' un campo molto affascinante, perché richiede davvero tutta l'inventiva di cui il nostro intelletto può disporre. Inoltre può succedere che un gruppo di ricerca molto ricco faccia una simulazione con milioni e milioni di atomi per un numero impressionante di ore calcolo, ma in termini di analisi il lavoro sia piuttosto misero, limitandosi a una semplice presentazione delle traiettorie in qualche forma grafica accattivante. Al contrario, un gruppo con poche risorse computazionali e una buona dose di inventiva può davvero trarre conclusioni importanti sul funzionamento di un sistema biologico e proporre un metodo innovativo di analisi che potrebbe essere impiegato anche in altri casi. E certo, noi italiani non ci saremo qualificati alla fase finale dei campionati mondiali di calcio, avremo mille difetti, una situazione politica più incerta che mai, ma sull'inventiva non temiamo rivali!