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Dalle Biotecnologie alla Systems
Biology: un futuro per i giovani
Lilia Alberghina
SYSBIO – Centro di Systems Biology
Università di Milano-Bicocca e CNR
Milano e Roma
10 Aprile 2014
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 1/20
Verso una nuova Biologia
1950-65 La doppia elica del DNA Sistemi “in vitro” di
NGF – fattore di crescita sintesi proteica
1966-80 Il codice Proteine da rDNA (1978)
genetico ingegneria genetica
1981-95 Organismi OGM INDUSTRIA
Anticorpi monoclonali BIOTECH
Prog. Genoma lievito (Genentech, Amgen)
1996-2010 Prog. Genoma Umano INDUSTRIA BIOFARMA
Tecnologie “-omiche” (target drugs)
2011-2025 SYSTEMS BIOLOGY
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 2/20
Analisi omiche e complessità
biologica
Analisi “omiche” eseguite nelle più diverse condizioni fisio-
patologiche
• in un corpo umano: circa 100.000
miliardi di cellule
• in una cellula umana: 30.000 geni -
10.000 tipi diversi di proteine,
variamente modificate da PTM
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 3/20
Come strutturare i dati post-genomici
per comprendere le funzioni?
Modeling
SYSTEMS
BIOLOGY
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 4/20
La novità della Systems Biology:
funzioni come proprietà emergenti
• La funzione di ogni sistema ne deriva come proprietà
emergente dalle interazioni degli elementi vari della sua rete
o network
• La proprietà emergente è una funzione non presente nei
componenti singoli, ma che deriva dalla loro stessa
interazione in una rete/circuito
• Le reti o networks biologiche sono robuste, in quanto per lo
più capaci di mantenere la loro funzione nonostante
perturbazioni sia esterne che interne
SUONI
ONDE ELETTRO-
EMESSI A
MAGNETICHE DISTANZA
Non prevedibile “a priori”
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 5/20
Systems Biology:
la terza fase delle biotecnologie
• Analisi molecolare (sperimentale e da banche dati) su ampia scala per
poter estrarre una ipotesi di network, che viene utilizzato per costruire
un modello matematico, che viene poi saggiato per simulazioni al
computer e che fornisce predizioni da saggiare sperimentalmente
PROCESSO ITERATIVO
Inverse problem
High-level models
HXK
PFK
PGI
−1 0 0 0 0 0 ... ... 0 0 GLC
1 −1 0 0 0 0 ... ... 0 0 G6P
F6P
T
0 1 -1 0 0 0 ... ... 0 0
G =... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Amino...Acids
00 00 00 00
0
0
0
0
...
...
...
...
0
0
0
0Nucleotides Model construction
v =f (X met , c s )
dX met
=G T v −µ
X met
dt
Model simulation
glc
90.9 EMP
104.7 pathway co2
64.3
g6p pen
Evaluation of model
77.7
24.8
26.7
15.3 20.9
f6p 24.7 25.9
60.4
77.2 20.9
25.9
gap e4p s7p
127
177
PP pathway
pep
20.5
90.9 69.8
104.7 co2 ici
Revise model
52.3
pyr
52.3 co2
aca 4.5 4.5
76.6
103.5
20.6 oaa TCA cycle akg
5.6
co2 44.1
44.1 4.2
4.2
fum co2
Pathway reconstructed
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 6/20
Esempio: come si ottiene la sincronia
dell’inizio della replicazione del DNA?
SI RICHIEDE UN FIRING COERENTE PER
LA REPLICAZIONE VELOCE E FEDELE DEL
DNA
Araki H, Curr. Op. in Cell Biology, 22, 2010
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 7/20
Modello matematico dell’inizio della
replicazione del DNA
Brummer, Salazar, Zinzalla, Alberghina and Hoefer, PLoS Comp. Biol. 6, e1000783, 2010
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 8/20
Effetti dell'alterata regolazione
di S-Cdk
Brummer, Salazar, Zinzalla, Alberghina and Hoefer, PLoS Comp. Biol. 6, e1000783, 2010
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 9/20
Priorità scientifico-industriali
Europa-Italia
• per la creazione di nuovi posti di lavoro (ben
• ricerca biomedica remunerati)
• per miglioramento qualità della vita (salute,
• Tecnologie ICT
alimentazione etc.)
• energia pulita • per sviluppo di una economia globalizzata
sostenibile e rispettosa dell’ambiente
Quando c’è un cambiamento
La ricerca biomedica verrà di paradigma, nuovi attori
profondamente innovata dalla possono entrare in gioco
capacità di analizzare e gestire la
complessità biologica
Cosa farà l’Italia?
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 10/20Il sistema delle imprese Biotech
in Italia - 2012
PIL Italia (2011)
2000 miliardi $
impatto nel biotech: 0.7%
potenziale impatto in EU previsto
in circa 6%
The Bioeconomy to 2030, OECD
2009
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 11/20Lombardia e imprese Biotech
ASSOBIOTEC : BioInItaly, Report 2013
Bioeconomia in UE
- 2.000 Miliardi €
- 22 milioni di addetti
- OCSE può raggiungere 6% PIL
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 12/20“Omics” ed inefficienza dell’industria
farmaceutica mondiale
Molte malattie per cui si richiedono nuovi e più efficaci farmaci e/o diagnostici sono
systems biology diseases (cancro, malattie neurodegenerative, metaboliche,
immunitarie)
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 13/20Crisi di efficienza del Pharma mondiale
On the
Market
Drug discovery Preclinical Phase I Phase II Phase III Submission
studies
Nel periodo 2007-2010 più del 50% dei farmaci immessi in Phase III non ha
raggiunto il mercato con una forte caduta di efficienza rispetto agli anni
precedenti
“The way to improve
Phase III success rates is
to avoid wishful thinking
and to rely on high
quality scientific
evidence by fully testing
mechanisms against each
target indications”
da Nature Rev. Drug Discovery, 10, 2, 2011
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 14/20La Systems Biology e il rinnovamento
della ricerca farmaceutica - 1
Il successo di un'industria farmaceutica dipende
dalla scoperta casuale di pochi “cigni neri”, rari
prodotti di successo.
Costo medio per
Nuova Entità
Molecolare (NME)
nel 2010: circa
1'800 milioni di
dollari US
Munos, Nature Rev. Drug Dislcovery, 2009
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 15/20La Systems Biology e il rinnovamento
della ricerca farmaceutica - 2
“I leader delle più grandi aziende, incluse
quelle farmaceutiche, presuppongono
scorrettamente che le attività di Ricerca e
Sviluppo (R&D) siano scalabili,
industrializzabili e possano essere guidate
da metriche dettagliate e
dall'automazione.
Il risultato? Perdita di responsabilità,
trasparenza e passione per gli scienziati
coinvolti in R&D”
Jean-Pierre Garnier, ex-amministratore
delegato of GlaxoSmithKline
La Systems Biology offre una via
per la razionalizzazione della
scoperta di target farmaceutici,
per la nascita della Medicina
personalizzata.
Munos, Nature Rev. Drug Discovery, 2009
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 16/20La Systems Biology e
il rinnovamento della bioindustria
La sfida:
ISBE Come organizzare il flusso di innovazione
proveniente dai centri di Systems Biology,
grandi e piccoli, verso le grandi compagnie
farmaceutiche?
L'accordo porta vantaggi ad entrambe le parti
I risultati attesi:
La Systems biology è uno sforzo collettivo
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 17/20SYSBIO Web site – www.sysbio.it
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 18/20Come sara’ il mondo in cui si
muoveranno gli studenti liceali di oggi?
2010
2020 La comprensione e la gestione
della complessità biologica
possono rendere la qualità
della vita umana migliore di
quella di oggi
2030
2040
sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 19/20sysbio.it – Alberghina – 10/04/2014 – 20/20
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