Laboratori di Biofisica e Nanotecnologie
- Dipartimento di Medicina Sperimentale -
Università di Genova

Sfruttando particolari tecniche di fabbricazione, è possibile immobilizzare proteine su di un supporto solido in modo tale che le molecole preservino le loro caratteristiche peculiari anche in condizioni estreme, come è ad esempio per la stabilità della struttura secondaria delle proteine stesse a temperature elevate. Tecnologie d'interesse strategico, importanti per applicazione all'interno della nanoproteomica, sono: deposizione di Langmuir-Blodgett (LB), ingegneria dei monostrati, autoassemblaggio in campo elettrico, elettrosedimentazione o combinazioni di queste.
Per quanto riguarda la nanocatalisi si è fatto sempre più vivo l'interesse verso i processi a basso impatto ambientale come alternativa ai processi chimici tradizionali. In quest'ottica i processi che fruttano le proprietà catalitiche degli enzimi hanno avuto un forte sviluppo. Tuttavia i processi biocatalitici sono a tutt'oggi industrialmente poco sfruttati rispetto alle loro potenzialità. La ragione di ciò ha radici di carattere economico derivanti in larga misura dalla scarsa efficienza dei processi d'immobilizzazione messi a punto ad oggi. Benché diverse tecniche di immobilizzazione enzimatica siano già state sviluppate, numerosi sforzi sono attualmente indirizzati allo sviluppo di nuovi approcci al problema con lo scopo di aumentare l'efficienza dei biocatalizzatori. Una delle strade più promettenti, all'interno di questo campo, è rappresentata dall'impiego delle tecniche proprie dei film sottili e delle tecniche dell'ingegneria dei monostrati. Tale approccio offre la possibilità di utilizzare monostrati di composti differenti per la creazione di mezzi biocatalitici, altamente efficienti, aventi una risoluzione su scala nanometrica. L'interesse nella crescita di cristalli di proteine è dovuto alla loro utilità per la determinazione strutturale di macromolecole mediante studi di diffrazione di raggi X o di radiazione di sincrotrone.

Per quanto concerne la nanofotonica e la nanobiosensoristica, uno dei principali obiettivi della ricerca di questi anni è la realizzazione di componenti elettronici ed optoelettronici, e biosensori su scala nanometrica, per il loro possibile utilizzo in svariate applicazioni. Inoltre grande interesse è dimostrato verso l'impiego di materiali d'origine biologica che siano in grado di operare a livello molecolare come singole unità d'elaborazione.
La possibilità di impiegare nuovi materiali e nuove tecnologie permettono la realizzazione di dispositivi prototipali di concezione innovativa potenzialmente competitivi con le attuali tecnologie al silicio. La maggior parte di microarray commerciali è fabbricata utilizzando una metodologia fotolitografica proposta dall'Affymetrix. In questo caso per la produzione di DNA chip, la sintesi di oligonucleotidi con sequenza richiesta è effettuata passo, passo direttamente sulla superificie di vetro derivata. Per attivare nuovamente la superficie, la protezione è rimossa ad un determinato sito selezionato mediante irradiazione del campione con luce, attraverso una maschera fotolitografica. La reazione chimica viene quindi ripetuta con un altro nucleotide e così di seguito. La sintesi "in situ" ha alcuni vantaggi rispetto alla deposizione di oligonucleotidi presintetizzati anche se, l'ammontare del composto sintetizzato, in questo caso sulla superficie, è così piccolo da impedire un'alta precisione nel controllo della composizione del campione, all'interno dello spot dell'array. Infatti, nonostante analisi particolari indichino che un'alta qualità delle strutture è potenzialmente producibile, per ottenere il controllo di qualità è necessaria un'attrezzatura altamente specifica. Le imperfezioni inevitabili sono dovute sia alla struttura degli oligonucleotidi, sia al "coating" della superificie.

Studi recenti hanno dimostrato la reale possibilità di ottenere reazioni chimiche allo stato solido ed hanno rivelato vantaggi in termini di efficienza e di selettività rispetto alle reazioni in soluzione.
La bassa mobilità delle molecole nello stato solido suggerisce che sia la probabilità sia il tasso di sviluppo della reazione decresca drasticamente in assenza di solventi. In realtà gli esperimenti hanno dimostrato che le molecole possono muoversi liberamente e reagire, a volte con spazi e dinamiche sorprendenti. Inoltre queste reazioni allo stato solido presentano alcuni vantaggi rispetto alle soluzioni, come: basso pericolo ambientale, costi ridotti e facile industrializzazione.
Generalmente questi processi richiedono agglomerazione e mescolameno dei reagenti usati. Questo tipo di approccio è molto importante a livello industriale per quanto riguarda la sintesi di molecole e polimeri. Attualmente lo sviluppo scientifico e tecnologico nel settore dell'elettronica organica è diretto ai sistemi molecolari coniugati, dove i polimeri conduttori (CP) hanno un ruolo fondamentale e primario. La produzione di tali sistemi deve essere spesso realizzata con solventi pericolosi, a causa dell'insolubilità. Le ricerche in corso mirano a sviluppare nuovi metodi di polimerizzazione in assenza di solventi.
La novità del metodo proposto è legata alla sintesi diretta dei polimeri partendo dai reagenti senza molecole precursori. Questa strategia non prevede comunque procedure di attivazione classiche come conversione termica e irraggiamento. Lo studio è importante non solo per la ricerca di base nel capire e sviluppare la chimica allo stato solido ma anche nelle applicazioni industriali e ambientali. La scoperta dei nanotubi (carbon nanotubes CNT) ha attirato considerevole attenzione per le loro proprietà fisiche uniche e il loro potenziale in una varietà di applicazioni.

I CNT hanno le seguenti proprietà:

1. alto rapporto lunghezza-diametro
2. basso raggio di curvatura alle estremità
3. alta conducibilità elettrica
4. alta stabilità
5. buona forza meccanica

Queste caratteristiche li rendono materiali utili per "building blocks" nuovi materiali per differenti applicazioni.
L'uso dell'idrogeno come combustibile in alternativa ai combustibili fossili, sta attraendo la considerazione dovuta ovunque. Il motivo principale di sviluppo dell'idrogeno è costituito nelle innovazioni delle celle a combustibile, che producono l'energia elettrica usando l'idrogeno senza inquinare l'ambiente.

La prossima generazione di dispositivi elettronici sarà basata sulle proprietà molecolari e sui nanomateriali. In linea di principio, questi dispositivi possono raggiungere i formati nanometrici e dimostrare effetti termodinamici di importanza considerevole per l'elaborazione di dati in paragone ai dispositivi attuali al silicio. E' evidente che le dimensioni nanometriche possono essere realizzate più facilmente usando un approccio "bottom-up" che implica un self-assembly delle molecole piuttosto che con la litografia. Il punto finale della fabbricazione di tali sistemi tende al collegamento delle architetture molecolari formate con il mondo esterno (macroscopico). Uno scopo della ricerca è la realizzazione di dispositivi elettronici e includerà gli studi sulle fasi fondamentali, quali la sintesi e la progettazione dei dispositivi supramoleculari, lo sviluppo dell'architettura ed i metodi migliorati del montaggio chimico. I metodi differenti di risolvere il problema con una caratteristica comune - realizzazione di architettura supramolecolari - saranno valutati.

Il meccanismo molecolare e supramolecolare dell'espressione del gene delle cellule eucarioti deve ancora essere compreso completamente. E' ben noto che l'espressione del gene riferita alla differenziazione delle cellule, alla proliferazione e ad altre funzioni complesse è sotto il controllo di molti fattori con specifici requisiti spaziali e temporali sia nelle cellule stesse che nei tessuti. Le nuove tecniche di SAGE e di DNA microarray, nonché di Nucleic Acid Programmable Protein Array (NAPPA) in fluorescenza e Label Free, forniscono mezzi potenti che saranno impiegati nello studio sulla trascrizione coordinata del gene e sull'espressione proteica durante la modifica della funzione delle cellule. Sarà possibile, ad esempio, osservare la modificazione dell'espressione del gene dovuta a malattie genetiche, e si studierà l'organizzazione genomica dei parassiti (quale il maggiore di Leishmania), i quali esprimono, durante gli insiemi differenti del ciclo vitale, geni che offrono la possibilità di individuare un metodo valido per terapie specifiche. Un'altra applicazione possibile sarà nell'identificazione di modelli delle alterazioni dell'espressione del gene e delle proteine relative a trombosi, apoptosis,trapianti di organi, cancro e proliferazioni delle cellule capillari dovute al diabete.
La Sezione di Biofisica ha svolto le sue attività di ricerca dal 1990 al 1999 come autonomo Istituto di Biofisica, quindi come Sezione del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Biofisiche, Mediche ed Odontoistomatologiche dal 2000 al 2003, e quindi dal 2004 al 2010 come Centro Interuniversitario di Ricerca e Servizi Didattici in Nanoscienze e Nanotecnologie Organiche Biologiche (CIRSDNNOB) di cui vengono QUI riepilogate le caratteristiche e l'organizzazione.