Attività RicercaBiologia dei sistemi

Biologia dei sistemi, biologia computazionale, genetica e modellistica

La Biologia sistemica è un campo di ricerca che cerca di comprendere i processi biologici complessi, comprendendo modelli cellulari, di comunità microbiche o animali, di tessuti biologici, interazioni genetiche, evoluzione ed ecosistemi.

In seno al CSDC ci sono vari gruppi che si occupano di aspetti legati alla biologia.

Florence Computational Biology Group (Marco Fondi/BIO)

La nostra ricerca è focalizzata sulla comprensione di fenotipi cellulari complessi attraverso l'uso di modelli computazionali e procedure sperimentali. Stiamo attualmente sviluppando modelli ed esperimenti per comprendere il ruolo delle reti metaboliche e regolatorie nella creazione dell'aggregazione microbica cellula-cellula e dei comportamenti patogeni e sociali (incluso il rilevamento del quorum, la virulenza e la resistenza agli antibiotici). Siamo interessati anche alle interazioni che i batteri stabiliscono con altri organismi e al modo in cui si avvicinano e consumano fonti nutrizionali complesse.

Sito: dbefcb.unifi.it

A new selective force driving metabolic gene clustering

An ecological and stochastic perspective on persisters resuscitation

Diauxie and co-utilization of carbon sources can coexist during bacterial growth in nutritionally complex environments

Evoluzione di ecosistemi e speciazione (Franco Bagnoli/FISICA)

Lo scopo è quello di sviluppare semplici modelli che permettono di studiare i meccanismi di base della speciazione, in particolare della speciazione simpatrica, ovvero che avviene in un ambiente omogeneo, l'evoluzione della riproduzione sessuata e della cooperazione in un ambiente competitivo.

An Elementary Microscopic Model of Sympatric Speciation

Evolutionary models for simple biosystems

Speciation as Pattern Formation by Competition in a Smooth Fitness Landscape

Modelli dinamici e statistici in biologia (Duccio Fanelli/FISICA)

L’attività riguarda lo studio sistematico ed organico dei processi microscopici che sottendono al funzionamento della cellula. Fra i temi affrontati, lo studio dei processi di trasporto in ambiente affollato e compartimentalizzato e l’indagine molecolare dei trascritti e delle proteine espresse, orientata alla ricerca dei meccanismi alla base di processi biologici, in condizioni fisiologighe e patologiche. Si tratta di un’area di ricerca tipicamente interdisciplinare dove la biologia in primo luogo, ma anche la la fisica, la matematica applicata e l’informatica rivestono un ruolo significativo.

Pattern nel cianobatterio Anabaena [R. Arbel-Goren et al. Life 8 (2018)].

Noise–Seeded Developmental Pattern Formation in Filamentous Cyanobacteria

Robust stochastic Turing patterns in the development of a one-dimensional cyanobacterial organism

Termodinamica, dinamica e fisica statistica dei sistemi viventi (Francesco Piazza/Fisica)

I principi fisici generali alla base di quello speciale stato auto-organizzato della materia che costituisce la materia dei sistemi viventi sono difficili da individuare, che si tratti di batteri, vertebrati o sistemi più generali altamente organizzati, come una pellicola batterica o una città piena di esseri umani. Tutti questi sistemi, tuttavia, condividono una caratteristica termodinamica comune, ovvero possono essere classificati come strutture dissipative, ovvero sistemi auto-organizzati che riducono la loro entropia grazie a una fonte di guida e canali di dissipazione ottimali. La fisica statistica di non equilibrio appare quindi come lo strumento ideale per esplorare le basi fisiche della vita.

Un gradiente di temperatura costante come quelli presenti sulla Terra primitiva nelle disordinate vicinanze delle sorgenti idrotermali potrebbe essere sfruttato per stabilizzare specie chimiche instabili. Nel caso della reazione del formosio, ad esempio, le forti correnti convettive derivanti dai gradienti termici potrebbero accoppiarsi alle trasformazioni chimiche per sostenere popolazioni superiori all'equilibrio degli isomeri furanosi più instabili del ribosio. Nonostante la loro intrinseca instabilità, questi sono gli unici isomeri del ribosio che costituiscono la struttura portante fondamentale degli acidi nucleici come DNA e RNA, un fatto che potrebbe trovare la sua spiegazione naturale nelle forti condizioni di non equilibrio degli ambienti terrestri primitivi.

Dass, A.V., Georgelin, T., Westall, F. et al. Equilibrium and non-equilibrium furanose selection in the ribose isomerisation network. Nat Commun 12, 2749 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22818-5

More generally, we are actively adopting different modeling strategies, paired with various analytical and computational techniques to explore the bases of living systems, from the molecular to the cellular level. Among the projects that keep us busy, we are modeling the biochemical signaling networks that form the chemical backbones of decision-making strategies of cells in responding to environmental cues. For example, this is the case of cell migration and invasion in metastatic invasion of cancer cells, which read different chemical and mechanical signals in their microenvironments. A recent publication shows how different experimental data can be employed to build a biochemical network model of a signaling network involved in tumor invasion and fit it to the data collected in the lab.

C. Duranti et al. Integrins regulate hERG1 dynamics by girdin-dependent Gαi3: signaling and modeling in cancer cells. Life Science Alliance Nov 2023, 7 (1) e202302135; DOI: 10.26508/lsa.202302135

Another class of projects that draw a considerable part of our attention is devoted to understanding the molecular bases of the functioning of molecular machines such as enzymes, and how these are fine-tuned by the chemical and mechanical features of their natural environments. In fact, while enzymes are assayed in highly controlled conditions in vitro, these are often dramatically remote from the true physico-chemical characteristics of the environments evolution has shaped them to operate into.

These are highly crowded landscapes, where available space is limited, copy numbers (i.e. the number of molecules of the relevant species) and reaction volumes can be dramatically reduced with respect to thermodynamic conditions (e.g. often 10-100 molecules instead of 1023), while nonequilibrium chemical driving and fluctuations (i.e. noise) play a determinant role in steering the behavior of these and other molecular machines. In collaboration with other groups in Florence and abroad, we combine experimental approaches with theoretical and computational modeling to address this sort of questions. As an example, this publication reports a study of an important enzyme under different crowding conditions.

Marin Matić, Suman Saurabh, Josef Hamacek, and Francesco Piazza Crowding-Induced Uncompetitive Inhibition of Lactate Dehydrogenase: Role of Entropic Pushing The Journal of Physical Chemistry B 2020 124 (5), 727-734 https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.9b09596op

Revitalizing an important field in biophysics: The new frontiers of molecular crowding

Ultimo aggiornamento

27.04.2026

Biologia dei sistemi, biologia computazionale, genetica e modellistica

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