Processi biologici complessi come il metabolismo spesso coinvolgono migliaia di composti accoppiati da reazioni chimiche. Queste catene di processo sono descritte dai ricercatori come reti di reazioni chimiche. I ricercatori dell'Università del Lussemburgo hanno sviluppato nuovi metodi matematici per studiare le proprietà energetiche di queste reti. Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Revisione fisica X .
Il paper preparato dal gruppo di ricerca del Prof Massimiliano Esposito indaga come funzionano a livello molecolare i sistemi biologici molto piccoli. Questi sistemi sono soggetti a grandi fluttuazioni di massa, che rendono il loro comportamento difficile da prevedere. Per descriverli, i ricercatori utilizzano un approccio probabilistico che calcola la dinamica di questi sistemi in base alla probabilità statistica che si verifichino dei cambiamenti. Usando queste descrizioni probabilistiche, il gruppo studia come questi sistemi scambiano energia e materia con il loro ambiente e quanta energia dissipano durante questi processi – una disciplina nota come termodinamica stocastica. Però, nel regno delle complesse reti di reazioni chimiche, le descrizioni probabilistiche diventano irrealizzabili poiché sono coinvolte migliaia di molecole. Gli autori hanno mostrato come i metodi matematici sviluppati per i piccoli sistemi possono essere utilizzati per studiare queste reti.
"Attualmente, mancano modelli termodinamici rigorosi per questo tipo di rete. Il nostro lavoro apre la strada a caratterizzazioni termodinamiche di reti chimiche reali, come il metabolismo, " spiega Riccardo Rao, l'autore principale del saggio. "Pensiamo a queste reti come a macchine che trasformano alcuni composti in altri. Alcuni composti vengono consumati mentre "alimentano" i processi. La nostra descrizione risponde a domande come:questo processo è efficiente? Quanta energia dissipa? Se modifichiamo leggermente il sistema, come reagirà?"
Al momento, la loro ricerca si concentra su modelli di reti metaboliche, per i quali sono necessarie alcune approssimazioni semplificative. "Ora stiamo usando questo quadro per studiare classi specifiche di reti di reazioni chimiche, come le reti metaboliche, " disse Riccardo Rao. Inoltre, il team di ricerca lavorerà con biologi e chimici per testare e applicare i risultati a sistemi biologici concreti. La ricerca in questa direzione con i gruppi del Centro lussemburghese per la biomedicina dei sistemi è già in corso.
