Riuscire a osservare come il Dna è strutturato nel nucleo di una cellula e ricostruirne l’architettura tridimensionale è di estrema importanza per consentire progressi conoscitivi e terapeutici a favore della salute umana.

La tecnica più sofisticata oggi disponibile per determinare una fotografia completa delle centinaia di milioni di contatti tra frammenti diversi di Dna all’interno del nucleo è chiamata Hi-C e richiede l’applicazione di algoritmi sofisticati e strumenti computazionali molto potenti per gestire, analizzare e interpretare l’enorme mole di dati genomici ottenuti. Lo sviluppo dell’Hi-C ha rappresentato un traguardo fondamentale per disegnare la mappa 3D del genoma, ma ha anche creato un nuovo problema da risolvere: come sviluppare, ottimizzare e armonizzare i diversi metodi computazionali per l’analisi dei dati.

Questi “microscopi” computazionali sono sì già molto affidabili, ma necessitano di ulteriori ottimizzazioni che impongono ancora molta cautela nell’interpretazione dei risultati.

Per fare chiarezza su potenzialità e limiti degli algoritmi, l’Istituto Firc di oncologia molecolare (Ifom) di Milano e l’Università di Modena e Reggio Emilia hanno condotto una ricerca che ha analizzato e confrontato i diversi metodi matematici per ricostruire al computer la forma tridimensionale del genoma. La ricerca ha conquistato la copertina di Nature Methods, con un’immagine ispirata per analogia estetica e concettuale a un quadro di Piet Mondrian: i ripiegamenti della struttura del Dna vengono spesso rappresentati con delle mappe geometriche e dei colori che ricordano per molti versi i quadri del pittore olandese.

“Siamo partiti raccogliendo tutti gli algoritmi e i software disponibili per lo studio dei dati prodotti da Hi-C, e li abbiamo applicati a decine di campioni rappresentanti tipi cellulari diversi per verificare l’efficacia di ciascun metodo nell’identificare interazioni e strutture tridimensionali del Dna”, spiega Mattia Forcato, ricercatore presso il dipartimento di Scienze della Vita dell’Università di Modena e Reggio Emilia e primo autore della ricerca.

“Questo studio è nato dall’esigenza di fare chiarezza in un campo in rapida evoluzione come lo studio dell’architettura 3D del Dna  – aggiunge Francesco Ferrari, ricercatore che, dopo il dottorato ottenuto a Unimore nel 2008, ha avuto una lunga esperienza di ricerca all’Harvard Medical School. Rientrato in Italia nel 2015, ha aperto il laboratorio di Genomica computazionale presso Ifom, grazie a un finanziamento Start up dell’Airc – L’articolo appena pubblicato aiuterà i ricercatori a orientarsi nell’analisi e interpretazione dei dati sperimentali. Noi stessi stiamo già usando questi risultati per migliorare la caratterizzazione dell’organizzazione spaziale del genoma”.

“Fornire le basi computazionali per studiare il ruolo della struttura tridimensionale del Dna e delle sue modificazioni è un passaggio fondamentale per identificare quei processi molecolari che portano alla rigenerazione dei tessuti o alla crescita tumorale” sottolinea Bicciato, a capo dell’Unità di Bioinformatica del Centro interdipartimentale di ricerche genomiche. Lo scienziato, professore di Bioingegneria del dipartimento di Scienze della Vita dell’Università di Modena e Reggio Emilia, conduce, con il suo gruppo e diversi collaboratori, ricerche che, attraverso l’analisi bioinformatica dei dati genomici, mirano a svelare i meccanismi alla base dell’utilizzo del genoma da parte delle cellule, sia nei loro stati normali sia nelle trasformazioni patologiche. “Se arriviamo a comprendere come le cellule sfruttano la struttura del genoma nelle loro trasformazioni – conclude Bicciato – possiamo concretamente aumentare le nostre possibilità di intervenire per correggere quei meccanismi che, ad esempio, sono fattori chiave della trasformazione tumorale”.

I computer rappresentano, quindi, uno strumento fondamentale per addentrarsi nell’organizzazione tridimensionale del genoma e comprendere, attraverso l’uso sinergico di tecniche di biologia molecolare, dati genomici e algoritmi matematici, i meccanismi molecolari attraverso i quali le cellule determinano il loro destino e le loro funzionalità.