Optimized space design : natural systems versus urban cities

Proteins and cities are both spatial complex systems whose function depends on the arrangement of their building blocks in space. Proteins are optimized systems, as proven by their resistance to mutations and their adaptability. A database of robust proteins is studied using a network-based approach in order to understand the rules that govern their optimization in terms of space occupancy. Transthyretin is employed as a case study to challenge the rules and relations between robustness and spatial optimization comparing pathological (defective) and non pathological networks (robust) and induced perturbation networks of transthyretin variants are employed to infer the impact of certain mutations of the stability and the dynamics of the protein. A novel network model to study the distribution of buildings in a city is defined and a biomimetic approach to assess the performance of cities in terms of traffic management is suggested. The geometrical properties of buildings in a city and their arrangement are shown to reflect in the topology of the city’s buildings network according to complex relations. The latter are investigated through a statistical analysis of a database of buildings from the city of Lyon (France). A case study of a 2km x 2km area of the city is studied more in detail to further explore the impact of the arrangement of geometrical entities in space over the network’s topology. The buildings network of this area is compared to the amino acids network of a robust protein as a first step towards the identification of the space occupancy criteria that could assure resilience to perturbations to the urban systems, i.e., the ability to maintain car mobility despite changes in the buildings geometry and arrangement. Finally, a comparison with granular materials shows that robust proteins cannot be considered as jammed systems, while certain areas of the urban systems show similar characteristics as jammed granular materials.

Sia le proteine che le città sono sistemi complessi spaziali la cui funzione dipende dalla disposizione dei loro elementi costitutivi nello spazio. Le proteine sono dei sistemi ottimizzati, come dimostrato dalla loro resistenza alle mutazioni e dalla loro adattabilità. Un database di proteine resistenti é studiato tramite l’analisi di network per comprendere le regole che governano la loro ottimizzazione in termini di occupazione dello spazio. La transtiretina é sfruttata come caso studio per mettere alla prova queste regole e le relazioni tra robustezza e ottimizzazione spaziale, confrontando network patologici (difettivi) e non patologici (robusti). Inoltre i network di perturbazione indotta di varianti della transtiretina sono utilizzati per dedurre l’impatto di certe mutazioni sulla stabilità e la dinamica della proteina. Un nuovo modello di network é definito per studiare la disposizione degli edifici nelle città e un approccio biomimetico é proposto per valutare l’efficienza delle città rigurdo la gestione del traffico. Viene illustrato come le proprietà geometriche degli edifici nelle città e la loro disposizione siano riflesse nella topologia del network di edifici secondo delle relazioni complesse. Queste sono studiate tramite l’analisi statistica di un database di edifici di Lione (Francia). Un caso studio corrispondente ad un’area di 2km x 2km é studiato più in dettaglio al fine di esplorare ulteriormente l’impatto delle disposizione di entità geometriche nello spazio sulla topologia del network. Il network di edifice di quest’area é confrontato con il network degli amino acidi di una proteina resistente come primo passo verso l’identificazione dei criteri di occupazione dello spazio che assicurino la resistenza alle perturbazioni ai sistemi urbani, cioé la capacità di mantenere la mobilità automobilistica nonostante cambiamenti nella geometria degli edifici e nella loro disposizione. Infine, un confronto con i materiali granulari illustra come le proteine resistenti non possano essere considerate dei sistemi jammed (bloccati), mentre alcune aree del sistema urbano mostrano caratteristiche simili a materiali granulari in stato di jamming.