Ricerca
Il cuore dei due laboratori č nella loro attivita' di ricerca scientifica e tecnologica che si articola nei seguenti settori a cavallo della Biofisica e delle Nanobiotecnologie dal lontano 1990, senza soluzione di continuita' sino ad oggi.
Sfruttando particolari tecniche di fabbricazione, e' possibile immobilizzare proteine su di un supporto solido in modo tale che le molecole preservino le loro caratteristiche peculiari anche in condizioni estreme, come e' ad esempio per la stabilita' 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 e' fatto sempre piu' vivo l'interesse verso i processi a basso impatto ambientale come scelta ai processi chimici tradizionali. In quest'ottica i processi sfruttanti le proprieta' catalitiche degli enzimi hanno avuto un forte sviluppo. Tuttavia i processi biocatalitici sono a tutt'oggi industrialmente poco sfruttati rispetto alle loro potenzialita'. La ragione di cio' ha radici di carattere economico derivanti in larga misura dalla scarsa efficienza dei processi d'immobilizzazione messi a punto ad oggi. Benche' diverse tecniche di immobilizzazione enzimatica siano gia' 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 piu' promettenti, all'interno di questo campo, e' rappresentata dall'impiego delle tecniche proprie dei film sottili e delle tecniche dell'ingegneria dei monostrati. Tale approccio offre la possibilita' 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 e' dovuto alla loro utilita' per la determinazione strutturale di macromolecole mediante studi di diffrazione di raggi X o di radiazione di sincrotrone.
Cristalli di lisozima ottenuti con il metodo hanging-drop 50-120 micron.
Nonostante recenti avanzamenti, la crescita del cristallo rimane il passo piu' lento e piu' critico nella determinazione della struttura delle proteine. Inoltre molte proteine scientificamente e industrialmente importanti non sono state ancora cristallizzate. La quasi totalita' degli approcci e' basata su metodi classici (metodi a diffusione di vapore) con differenti condizioni sperimentali, che pero' sono risultati rari e irriproducibili soprattutto nel caso di proteine grandi o/e insolubili (per esempio proteine di membrana) e richiedono lunga ricerca delle condizioni ottimali perche' di solito per ogni proteina esistono condizioni di cristallizzazione specifiche, difficili da determinare. Per questo la cristallografia appare soprattutto un'arte piu' che una scienza. Con i nuovi metodi di cristallizzazione basati sulla tecnologia dei film sottili sara' possibile usare le potenzialita' delle nanotechnologie per costruire i templati ordinati che permettono di ottenere cristalli di proteine altrimenti non ottenibili con metodi classici. Tali cristalli possono essere caratterizzati per mezzo di diffrattometria a raggi X o luce di sincrotrone, onde ottenere la struttura tridimensionale a livello atomico delle proteine di interesse scientifico ed industriale.
Diffrazione a raggi X di cristalli di lisozima ottenuti a -30 C. Sinistra: metodo classico hanging drop. Destra:metodo thin film template
Nanofotonica e Nanobiosensoristica
Per quanto concerne la nanofotonica e la nanobiosensoristica, uno dei principali obiettivi della ricerca di questi anni e' la realizzazione di componenti elettronici ed optoelettronici, e biosensori su scala nanometrica, per il loro possibile utilizzo in svariate applicazioni.
Inoltre grande interesse e' dimostrato verso l'impiego di materiali d'origine biologica che siano in grado di operare a livello molecolare come singole unita' d'elaborazione.
La possibilita' 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 e' fabbricata utilizzando una metodologia fotolitografica proposta dall'Affymetrix. In questo caso per la produzione di DNA chip, la sintesi di oligonucleotidi con sequenza richiesta e' effettuata passo, passo direttamente sulla superificie di vetro derivata. Per attivare nuovamente la superficie, la protezione e' 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 cosi' 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, e' cosi' 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 qualita' delle strutture e' potenzialmente producibile, per ottenere il controllo di qualita' e' necessaria un'attrezzatura altamente specifica. Le imperfezioni inevitabili sono dovute sia alla struttura degli oligonucleotidi, sia al "coating" della superificie.
Microscopio STM
Viceversa, gli oligonucleotidi presintetizzati possono essere attentamente purificati e controllati prima dell'impiego. Per produrre un microrarray partendo da oligonucleotidi presintetizzati, la superficie di vetro precedentemente attivata e' spruzzata (spreading) con gocce di un prodotto specifico utilizzando speciali robots (arrayers).
Questo sistema deve necessariamente possedere un'alta precisione. Si tratta di dispositivi commercialmente disponibili ma che presentano un costo molto elevato. Comunque le metodiche reperibili commercialmente lavorano a livello micrometrico (si parla, infatti, correttamente, di microarray) mentre quanto proposto presso il Nanoworld Institute e' un grande progetto di ricerca che abbia come obiettivo la realizzazione e la caratterizzazione di metodiche che lavorino a livello "nano", con lo scopo di realizzare nanostrutture e al fine di verificare la possibilita' di muovere verso i nanoarray.
Spettrofotometro IR
Polimeri, Nanotubi al Carbonio e Nanoparticelle
Studi recenti hanno dimostrato la reale possibilita' di ottenere reazioni chimiche allo stato solido ed hanno rivelato vantaggi in termini di efficienza e di selettivita' rispetto alle reazioni in soluzione.
La bassa mobilita' delle molecole nello stato solido suggerisce che sia la probabilita' sia il tasso di sviluppo della reazione decresca drasticamente in assenza di solventi. In realta' 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 e' 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 e' 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'insolubilita'. Le ricerche in corso mirano a sviluppare nuovi metodi di polimerizzazione in assenza di solventi.
La novita' del metodo proposto e' 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 e' 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 proprieta' fisiche uniche e il loro potenziale in una varieta' di applicazioni.
- alto rapporto lunghezza-diametro
- basso raggio di curvatura alle estremita'
- alta conducibilita' elettrica
- alta stabilita'
- buona forza meccanica
L'uso dell'idrogeno come combustibile in alternativa ai combustibili fossili, sta attraendo la considerazione dovuta ovunque. Il motivo principale di sviluppo dell'idrogeno e' costituito nelle innovazioni delle celle a combustibile, che producono l'energia elettrica usando l'idrogeno senza inquinare l'ambiente.
Nanotubi al carbonio
Un numero crescente di ricercatori sta teorizzando che le strutture composte di carbonio possano essere usate come sistemi di immagazzinaggio dell'idrogeno.
Come struttura tubolare vuota del formato di alcuni nanometri, sono usati da varie forme viventi, per effettuare funzioni biologiche differenti, inoltre i CNT possono essere usati nei sistemi biologici integrati e nei dispositivi biomedici. I CNT costituiti dagli atomi di carbonio, che hanno proprieta' di conduzione, sono materiali molto forti e flessibili: possono essere modificati o funzionalizzati tramite l'introduzione di catene laterali, in grado di fornire differenti proprieta' chimico-fisiche. Queste qualita' rilevanti consentono un utilizzo in molti campi, e nella medicina sembra essere possibile impiegarli come elementi portanti di una vasta gamma di molecole. La terapia angiogenica fornisce un nuovo metodo per la rivascolarizzazione quando le tecniche tradizionali falliscono. Il meccanismo della riparazione vascolare richiede l'attivazione endocrina e il delivery locale dei fattori di crescita puo' stimolare la risposta endoteliale all'ischemia. La produzione del dispositivo per la consegna delle nano-quantita' di principi attivi a livello del vaso stenotico fornira' una soluzione possibile dei problemi suddetti. Dall'altro lato, l'angiogenesi e' l'ultima conseguenza negativa di ipossia retinica dovuta al diabete. Questo evento molto ritardato puo' essere evitabile soltanto con un intervento molto iniziale sulla catena patogena che collega il danno osidativo, la trombosi e l'apoptosi delle cellule microvasculari.
Negli ultimi anni c'e' stato un profondo sviluppo nella sintesi di nanoparticelle a semiconduttore e metalliche, stabilizzate da protezione organica, denominate Monolayer-Protected Cluster molecules (MPC). Le dimensioni nucleari di queste particelle possono modularsi da un diametro massimo di circa 5 nm, scendendo fino a meno di un nm. Le particelle hanno struttura cristallina ordinata e dimensioni quantizzate che forniscono una disposizione atomica stretta (magic numbers) che tende a raggiungere la forma di equilibrio dell'ottaedro troncato. I materiali sono fra le molecole solide cristalline e quelle singole, e forniscono la prospettiva interessante di mostrare delle nuove proprieta' chimiche, elettriche e fisiche dipendenti dalle dimensioni. L'oro, l'argento, o le leghe di oro, di argento, di platino, di palladio e di rame possono formare i nuclei dei complessi.
Voltammetria e evaporatore
Nanoelettronica e Bioelettronica MolecolareLa prossima generazione di dispositivi elettronici sara' basata sulle proprieta' 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 piu' 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 e' la realizzazione di dispositivi elettronici e includera' 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 supramoleculari - saranno valutati.
LB trough
Nanomedicina e Biofisica MedicaIl 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 e' 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, nonche' 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. Sara' possibile, ad esempio, osservare la modificazione dell'espressione del gene dovuta a malattie genetiche, e si studiera' l'organizzazione genomica dei parassiti (quale il maggiore di Leishmania), i quali esprimono, durante gli insiemi differenti del ciclo vitale, geni che offrono la possibilita' di individuare un metodo valido per terapie specifiche. Un'altra applicazione possibile sara' nell'identificazione di modelli delle alterazioni dell'espressione del gene e delle proteinee relative a trombosi, apoptosis,trapianti di organi, cancro e proliferazioni delle cellule capillari dovute al diabete.
La Sezione di Biofisica ha svolto le sue attivita' 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.
Colture cellulari.