Simulare per curare: come la biofisica computazionale accelera la scoperta di farmaci

Siamo ormai a fine anno e colgo l'occasione per scrivere qualcosa di più generale, del tipo: per chi si fosse sintonizzato in questo momento... uno dei motivi per cui mi sono avvicinato pian piano alla biofisica computazionale sicuramente è la mia innata, conclamata, incurabile e ormai cronica ipocondria, che mi ha portato a studiare bugiardini dei farmaci sin da quando ero bambino, naturalmente avvertendone tutti gli effetti collaterali. I farmaci mi hanno sempre atterrito e affascinato, a partire dai rimedi naturali. Avevo letto che già nell'antica Grecia (per cui ho sempre avuto un fascino particolare) utilizzavano la corteccia del salice, perché permetteva di abbassare la febbre. Mi è difficile immaginare come l'avessero scoperto, probabilmente con qualcuno addormentato in un tempio di Asclepios che ha sognato questo miracoloso rimedio. L'idea delle pozioni magiche da un lato attirava la mia curiosità di bambino e adolescente, dall'altro stimolava la cocciutaggine di voler capire "ma perché funzionano?" e soprattutto "ne possiamo trovare anche di migliori? Magari per curare le malattie che oggi riteniamo incurabili?". Un gran contributo mi era offerto dalla fantascienza: tra le prime serie televisive, ho amato molto i Visitors (V, the Visitors) nella serie originale degli anni '80, con tute arancioni e occhiali a goccia in linea con la moda del periodo. Ad un certo punto i misteriosi e fin troppo umani visitatori (prima ancora che si scoprisse la loro vera natura lucertoloide) regalavano all'umanità una fiala con la cura per il cancro: una miscela verde in una provetta. Quanta ingenuità. Tuttavia a quella ingenuità e alla mia ipocondria ho spesso ripensato quando mi sono avvicinato alla biofisica computazionale. Siamo il risultato della nostra adolescenza, no?

I premi Nobel, la legge di Amara e il ciclo Gartner

Sono stati assegnati da pochissimo i premi Nobel per la Fisica e per la Chimica del 2024: entrambi celebrano i progressi nell'intelligenza artificiale (AI) e nei metodi computazionali che hanno profonde implicazioni per le scoperte scientifiche. Scherzando, ho detto che i Nobel sono stati assegnati da ChatGPT e anche sui social in effetti è comparso il meme con il Nobel per la letteratura assegnato proprio alla piattaforma che permette di dialogare con l'intelligenza artificiale come se fosse davvero un altro essere umano, dotato di saggezza e onniscienza. Con le dovute cautele, naturalmente. 

Il Nobel per la Fisica è stato assegnato a John Hopfield e Geoffrey Hinton per i loro lavori pionieristici sulle reti neurali artificiali. La ricerca di Hopfield ha introdotto i modelli di memoria associativa ed è per me un ricordo molto caro, dato che la mia modestissima tesi di laurea verteva proprio su questo argomento, con uno studio che tentava di trovare analogie con il comportamento del cervello umano nell'elaborare i ricordi attraverso i sogni e nei meccanismi ossessivi. Del resto, a 23 anni potevo anche sognare. E a 51 in realtà non ho ancora smesso. Sulle ossessioni preferisco sorvolare... Hinton ha invece contribuito con lo sviluppo della cosiddetta "macchina di Boltzmann", che ha aperto la strada a quello che oggi chiamiamo "machine learning" o apprendimento automatico. Il machine learning ha in effetti permesso ai sistemi di AI di riconoscere e generare schemi. Entrambi i contributi sono stati considerati fondamentali per le applicazioni di machine learning moderne, dimostrando come i modelli basati sulla fisica possano trasformare l'elaborazione dei dati e il riconoscimento di schemi ripetuti o pattern.

Il terzo incontro annuale sul progetto Mimosa: Göteborg!

Probabilmente questo post non sarà lunghissimo, ma riporta alcuni appunti che ho scritto all'aeroporto di Stoccolma, di ritorno dal terzo incontro annuale sul progetto Mimosa, di cui ho già parlato in post precedenti. Per chi le avesse perse, l'idea è quella di utilizzare un metodo piuttosto innovativo per determinare la struttura delle biomolecole, con particolare riferimento alle proteine. Si tratta dell'Atom Probe Tomography (APT) o Tomografia a Sonda Atomica (in italiano suona tutto un po' strano). Questa tecnica permette di determinare la posizione di ciascun atomo in un materiale con una precisione pazzesca, addirittura al di sotto del nanometro che è un miliardesimo di metro. Tradizionalmente questa tecnica è stata utilizzata soprattutto in metallurgia per studiare leghe metalliche e in scienza dei materiali per i semiconduttori, ma ultimamente ci sono stati diversi studi che hanno cercato di applicarla al campo delle scienze biologiche, ovvero alla determinazione delle strutture delle proteine o di complessi macromolecolari. In questo contesto, il potenziale dell'APT è davvero unico, perché consente di ottenere delle vere e proprie mappe tridimensionali che specificano dove ciascuna specie chimica si trova, atomo per atomo, pezzo per pezzo di un complicatissimo puzzle in tre dimensioni. Ma come funziona?

Trento 26-29 agosto 2024: Simulazioni biomolecolari alla mesoscala

Scrivo questo post dopo 4 giorni particolarmente impegnativi e ricchi di spunti di discussione: si è appena concluso un congresso organizzato a Trento da me e da alcuni miei colleghi: Sarah Harris dell'università di Sheffield, Angelo Rosa della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste, Ralf Everaers della Scuola Normale Superiore di Lione, Rommie Amaro dell'Università della California a San Diego e Garegin Papoian, dell'Università del Maryland. I partecipanti sono stati poco più di 50, provenienti un po' da tutta Europa, dagli Stati Uniti e dal Canada. La foto ritrae quasi tutti i partecipanti sul lago di Caldonazzo, dove si è tenuta la cosiddetta "cena sociale", per festeggiare la fine del congresso in un'atmosfera informale. L'aspetto sociale dei congressi scientifici è quasi sempre tenuto in poco conto, ma è fondamentale: molti film descrivono chi fa ricerca come una persona isolata che spesso lotta contro il mondo. Non è mai così, ma proprio mai: la ricerca nasce dal confronto, ma soprattutto nasce dalla capacità di gestire le avventure della conoscenza in gruppo. E' quindi fondamentale anche l'aspetto umano: chi lavora insieme deve anche piacersi, perché altrimenti è davvero difficile lavorare gomito a gomito e affrontare le difficoltà che la ricerca scientifica comporta. Sono però sicuro che molti di voi si staranno chiedendo: "Sì ma cosa diavolo è la mesoscala?"

Riflessioni islandesi: quanto può resistere la vita in ambienti ostili?

Scrivo questo post nei giorni immediatamente successivi al mio ritorno da un fantastico giro dell'Islanda, un'isola magnifica che avrei sempre voluto visitare, con il timore che mi sarebbe piaciuta così tanto da decidere di volerci tornare sempre. O chissà, viverci. In effetti, il giro mi ha procurato un'emozione costante di stupore di fronte allo spettacolo della natura: non è neanche un libro di geologia a cielo aperto, ma è un compendio di scienze naturali con incluse le attività di laboratorio, ovviamente tutto a cielo aperto! Tra una cascata e l'altra, tra ambienti che sembravano lunari e altri che sembravano marziani, ma che in fondo dicono che il nostro pianeta offre una tale varietà da lasciare senza fiato, mi ha colpito molto come la vita avesse trovato il modo di adattarsi anche alle condizioni più estreme. La resilienza, insomma. Ecco, l'Islanda è il posto che ti dice che la vita è resiliente e che anche la tua lo è: se la lasci fare, impara ad adattarsi anche alle condizioni più estreme, ai passaggi più complicati, perché alla fine, come amano dire gli islandesi, "þetta reddast", ovvero accettiamo l'incertezza della vita credendo che in qualche modo le cose si sistemeranno. E in Islanda, alla fine, tutto si sistema, in qualche modo. Quali sono però le caratteristiche che rendono la vita così resiliente? E la biofisica computazionale può dire la sua anche in questo ambito? Mi sono documentato perché mi hanno incuriosito anche i batteri che vivono in assenza di luce nelle grotte laviche, oltre a quelli che vivono nelle acque ricche di sali di zolfo, con quell'odore pestilenziale di uova marce. Parliamo quindi di batteri estremofili (che amano l'estremo) e di come facciano a sopravvivere anche in quelle condizioni. Cosa permette a questi batteri di sopravvivere? Naturalmente si tratta di particolari adattamenti delle proteine di cui sono costituiti.

Trotterellando parte 2 - Genova, Bari e Lisbona

Questa seconda fase del tour di quest'anno è stato dedicato a tre mete che avevano obiettivi diversi, ma comunque importanti. Tolgo subito la tappa centrale, perché è più personale: sono stato nella mia città natale per liberare il mio appartamento. Per quanto sia stata un'esperienza faticosa sia sul piano fisico che emotivo, il decluttering (così si dice) è stato anche un momento di riflessione su quanto sto cercando di portare avanti sul piano delle ricerche e su quello didattico. I due piani restano per me profondamente interconnessi perché la didattica senza ricerca perde un po' il polso rispetto agli argomenti di punta, rischia di perdere di attualità. E' anche vero però che la ricerca può beneficiare molto dell'apporto della didattica, perché la didattica ti costringe spesso a semplificare all'osso i concetti, oltre a darti la possibilità di confrontarti con generazioni più giovani che hanno una percezione della realtà molto più al passo con i tempi. Tolta di mezzo questa tappa personale di riflessione, però, restano due tappe su queste due linee intrecciate. Genova è stata la sede del 27esimo Congresso Nazionale della Società Italiana di Biofisica Pura e Applicata. La cornice era davvero stupenda, nello splendido Palazzo della Borsa di Genova, un gioiello in stile liberty situato nel cuore della città. Città che mi ha proprio ricordato la biofisica, nel suo essere complicata e affascinante al tempo stesso. Ci sono strade che sembrano in salita e sono in discesa, e viceversa, tratti pianeggianti che all'improvviso si aprono su balconate o ponti per cui ti accorgi che c'è un altro pezzo di città sotto, oppure sopra. Insomma ci si perde, ma è un bel perdersi, un po' come in biofisica.

Trotterellando per Trieste, il Canada e la Lituania

Scrivo questo post mentre all'aeroporto di Bergamo aspetto il bus che mi riporterà a Trento, dopo tre tappe di un tour estivo che mi è praticamente piombato addosso senza quasi che io me ne accorgessi. Viaggiare mi è sempre piaciuto, grazie alla spinta di una curiosità talmente forte da riuscire a vincere qualunque tipo di ansia, anche se poi l'ansia mi accompagna sempre e comunque. Viaggiare per lavoro è diventato poi una specie di sport che mi appassiona, mi motiva e mi stanca, ma a cui non riesco a dire di no. Questa volta però ho viaggiato non tanto per presentare progetti di ricerca, quanto per costruire ponti: si tratta di viaggi che non hanno nulla a che fare con il nuovo incarico da direttore di dipartimento, li avrei fatti a prescindere, ma hanno assunto una connotazione particolare proprio perché l'incarico è talmente totalizzante che il dipartimento me lo sono portato dietro. Ho quindi viaggiato su tre livelli: uno personale, con la sensazione di scoperta che accompagna ogni viaggio, uno con l'attività di ricerca del mio gruppo in biofisica computazionale e uno caratterizzato dallo sguardo ampio delle possibilità per il dipartimento che rappresento.