Dal planetarium al simularium: il computer come mezzo di rappresentazione della realtà

Mi hanno sempre affascinato i planetari e ne ho visti alcuni davvero molto belli, soprattutto negli Stati Uniti. Si racconta che il primo a costruirne uno sia stato Anassimandro di Mileto, addirittura nel VI secolo a. C., dunque più di 2500 anni fa. Il tentativo di riprodurre la volta celeste su una sfera ha quindi una storia molto lunga e oggi si possono ammirare anche alcuni planetari in Italia, anzi devo ripromettermi di visitarne un po' nelle mie scorribande in treno per la penisola. I planetari moderni però sono soprattutto disponibili online o con app che possiamo installare sugli smartphone di ultima generazione. Una delle caratteristiche più interessanti dei planetari che oggi sono realizzati mediante software dedicati è la possibilità di vedere non soltanto la volta celeste e riconoscere la costellazione che stiamo ammirando in una notte stellata, ma anche poter realizzare un ingrandimento della porzione di cielo a cui siamo interessati e guardare più da vicino pianeti bellissimi come Giove e Saturno, per esempio. I dettagli con cui oggi possiamo ammirare questi corpi celesti sono frutto delle conoscenze che si sono accumulate nei secoli e soprattutto negli ultimi decenni. Qualcosa di simile però sta accadendo anche in biologia, sia per quanto riguarda i metodi che consentono di ottenere immagini dirette dell'interno della cellula, sia per i software dedicati alla visualizzazione di molecole, proteine e complessi macromolecolari. Molto recentemente è stato messo a punto e proposto un Simularium, ovvero un software che permette a tutti di visualizzare i risultati delle simulazioni, proprie o altrui.

Uno dei problemi maggiori nell'ambito delle simulazioni in biofisica computazionale è proprio la capacità di visualizzare i risultati, per due motivi: il primo è la grande mole di dati che viene generata dalle simulazioni, il secondo è che i diversi metodi di visualizzazione disponibili richiedono diversi formati di file, con l'inconveniente che molto spesso è necessario un software specifico per poter visualizzare un certo tipo di simulazione. Tutto questo crea una certa frustrazione da parte degli utenti: ciascuna simulazione, specialmente quando si passa dal dettaglio atomistico a rappresentazioni a grana sempre più grossa, risulta un settore a sé, con pochissime possibilità di interagire e, soprattutto, con poche persone in grado di destreggiarsi nella giungla dei software. Non esiste infatti uno standard sia per i dati generati, sia per la gestione della grafica: ogni laboratorio in pratica scrive il suo codice e molto spesso il programma di grafica (con poche eccezioni limitate soprattutto alla dinamica molecolare atomistica) funziona all'interno del laboratorio ma fallisce miseramente passando da un laboratorio all'altro, un problema che definiamo come portabilità. 

E' complicato rendere i software portabili, perché è molto difficile prevedere su quale computer verranno installati: in fondo, già con le app che installiamo sui nostri smartphone, dobbiamo stare molto attenti a quale sistema operativo ci ritroviamo. La portabilità con la grafica è ancora più complicata, come sappiamo bene anche soltanto scambiandoci qualche scatto fotografico con i programmi di messaggistica e chiedendo ai nostri contatti di modificarne i colori o inserire qualche effetto divertente. La situazione però è cambiata molto con la diffusione di alcune piattaforme informatiche, come python e jupyter notebook. Queste piattaforme infatti hanno permesso di creare una numerosissima comunità di utenti molti disponibile a scambiare informazioni e pezzi di codice. E' così che sono state create tante collaborazioni che hanno condiviso interi pacchetti per l'analisi dei dati provenienti da simulazioni: cito, ad esempio, MDAnalysis, che consente oggi di analizzare le traiettorie delle simulazioni in dinamica molecolare. I codici di MDAnalysis sono accessibili a tutti e portabili da computer a computer, purché si disponga di python, che ormai si può installare su qualunque sistema operativo. 

Simularium si ripropone di operare in questo senso anche con la visualizzazione delle simulazioni, a qualunque scala siano state realizzate e qualunque sia il tipo di software utilizzato per generarle: l'utente ha due possibilità: 1) scrivere direttamente i dati nel formato che verrà poi analizzato da Simularium; 2) lasciare i dati nel proprio formato e usare un convertitore scritto in python o in jupyter notebook per convertire i propri dati nel formato adatto a Simularium. A questo punto è possibile caricare i dati direttamente sul sito di Simularium per la condivisione online con altri ricercatori o con l'intera comunità di utenti. Naturalmente questa operazione sarà portata a termine solo dai gruppi di ricerca che hanno voglia o necessità di condividere i dati, magari anche utilizzando un link privato in modo che sia accessibile solo ai laboratori con cui esiste una collaborazione. 

E' possibile scegliere il tipo di rappresentazione (con più o meno dettagli) e anche passare da una rappresentazione all'altra, come nello schema qui sopra per la fibra di actina, una proteina presente nei nostri muscoli. Al momento sono già presenti una decina di video provenienti da simulazioni diverse. 

Mi sono divertito a giocare con alcuni di questi e ne ho scelto uno, in particolare, che mostra cosa succede ai nostri polmoni quando ci colpisce la forma grave del virus responsabile della famigerata Sars-Cov2. Ho estratto soltanto il fotogramma finale della dinamica che parte con l'intero riquadro occupato da cellule sane dell'epitelio polmonare, rappresentate in grigio. In sole 24 ore, come si può notare, il virus produce danni distruggendo un bel po' di cellule dell'epitelio: nel grafico a destra il numero di cellule dell'epitelio è rappresentato da quella curva che scende inesorabilmente. Si creano in pratica delle zone nei polmoni che non sono più in grado di assolvere al loro compito, da cui la famosa sensazione di affaticamento e pesantezza sui polmoni che è stata descritta da tutti coloro che, purtroppo, hanno sperimentato la forma grave di questa malattia. E' interessante vedere come si possa passare dalla rappresentazione di intere cellule a quelle di oggetti molto più piccoli della cellula stessa. Al momento sono allo studio anche alcune novità che saranno presto aggiunte, tra cui l'interessante possibilità di variare i parametri di simulazione per consentire all'utente di sbizzarrirsi con questi processi. E' anche importante la possibilità di utilizzare questo software per l'insegnamento a scuola: l'obiettivo resta quello di descrivere meccanismi biologici complessi, che vanno dalla singola molecola o dal singolo complesso macromolecolare, fino alla dinamica dell'intera cellula o di gruppi di cellule o, addirittura, di organi. Sicuramente un sito da tenere d'occhio nel prossimo futuro.