Attività di ricerca

Le ricerche dell'IBPM sono caratterizzate da una visione fortemente multidisciplinare della complessità dei sistemi viventi, che si basa sull'integrazione sinergica di strumenti bioinformatici teorico-predittivi con indagini sperimentali.

I meccanismi biologici alla base di processi complessi (regolazione dell'espressione di geni e genomi e dell'attività delle proteine, controllo del differenziamento, della divisione cellulare e della risposta immunitaria, meccanismi di interazione organismi-ambiente) vengono studiati con una forte impronta struttura-funzione, anche grazie allo sviluppo di metodologie di frontiera in biologia strutturale e molecolare. A queste metodologie si affianca - e costituisce punto di forza - la disponibilità di un'ampia gamma di sistemi modello, di cui l'IBPM è stato pioniere, che permette lo sviluppo di saggi di genetica, biologia molecolare e cellulare, indispensabili per generare importanti ricadute applicative.

Le ricerche sono condotte a diversi livelli, dalla progettazione e sintesi di singole molecole, alla caratterizzazione molecolare di sistemi cellulari d'interesse, fino a studi al livello organismico, per ottenere un avanzamento delle conoscenze nei campi della salute umana, dell'ambiente e dell'agro-alimentare e sviluppare prospettive applicative nel campo delle bio- e nanotecnologie.




A) SALUTE UMANA
Le ricerche in questo campo mirano a sviluppare la conoscenza delle basi genetiche e molecolari di processi fisiologici e patologici per individuare nuovi marker diagnostici, identificare nuovi bersagli molecolari ed ideare strategie innovative per la prevenzione e la terapia di patologie ad alto impatto sociale. Segue una sintesi delle principali ricerche nel campo immunologico, neurologico e oncologico.

1. Sistema immunitario e malattie infettive
Le ricerche mirano a sviluppare nuovi composti antimicrobici per contrastare le infezioni farmaco-resistenti e progettare strategie innovative per la prevenzione e il trattamento di patologie infettive e immuno-mediate.
1.1. Identificazione di bersagli farmacologici in microrganismi patogeni.
Vengono caratterizzate strutturalmente e funzionalmente diverse proteine, rilevanti in patologie umane, da batteri (Pseudomonas aeruginosa, Salmonella spp., Shigella spp. ed Escherichia coli) e protozoi (Leishmania infantum). Le proteine studiate contribuiscono alla virulenza microbica, espletando funzioni vitali nel controllo dell'architettura genomica, dell'espressione genica e della sintesi proteica, nel metabolismo energetico e di cofattori, nell'omeostasi redox e nel trasporto di metalli. Vengono sviluppati approcci di 'rational design' e screening, sia sperimentali che 'in silico', per identificare inibitori. Viene inoltre studiata l'organizzazione strutturale e funzionale di enzimi per la produzione di nuovi antibiotici mediante tecniche di ingegneria proteica.

1.2. Studi dell'immunità innata e adattativa.
L'obiettivo è delucidare i meccanismi molecolari alla base di risposte immunitarie protettive (vaccini), o dannose in patologie immuno-mediate, quali la psoriasi. In particolare gli studi riguardano la risposta dei linfociti T CD8, lo sviluppo e l'omeostasi delle cellule dendritiche e delle cellule 'Natural Killer'.

2. Sistema nervoso, patologie neurologiche e neuromuscolari
Diversi gruppi studiano i meccanismi alla base di patologie neurologiche e muscolari (distrofia muscolare di Duchenne e merosinopatie, morbo di Alzheimer, atrofia muscolare spinale, sclerosi laterale amiotrofica e multipla, così come autismo, patologie correlate all'ansia, paraplegia spastica ereditaria, sindrome di Down, malattia di Huntington, encefalopatia epilettica neonatale e neuropatologie rare). Vengono utilizzati sistemi modello diversificati (colture primarie neuronali murine, cellule umane staminali e miogeniche derivate da pazienti, organismi modello quali la Drosophila) per perseguire obiettivi complementari:
- comprensione del ruolo degli RNA codificanti e non codifcanti (miRNA, lncRNA e circRNA), e dei loro meccanismi biosintetici e regolativi nelle suddette patologie ed nei circuiti regolativi neuronali omeostatici (risposta agli ormoni dello stress);
- studi strutturali e funzionali di proteine native, mutate o modificate ossidativamente; studi funzionali del metabolismo dell'acido solfidrico e del glucosio in patologie neurodegenerative e del neuro-sviluppo;
- identificazione di polimorfismi del genoma umano predittivi di patologie neurologiche e dell'invecchiamento;
- studio degli effetti prodotti da processi cognitivi sull'espressione genica.

3. Omeostasi cellulare e processi alla base dell'insorgenza e dello sviluppo di tumori. Le ricerche in questo campo cadono in due grandi filoni.

3.1. Studio dei meccanismi molecolari alla base di importanti 'hallmarks' del cancro, quali:
o i meccanismi della plasticità epigenetica, in particolare correlata ad acetilazione e metilazione delle proteine istoniche, e ruolo di RNA non codificanti;
o l'instabilità genetica originata da alterazioni della divisione mitotica e dei suoi regolatori;
o i meccanismi alla base dell'eterogeneità cellulare nella risposta ai trattamenti anti-tumorale e nella farmaco-resistenza;
o la riprogrammazione metabolica della cellula tumorale;
o la caratterizzazione della risposta immune e dell'angiogenesi tumorale.

3.2. Ricerca di nuovi bersagli farmacologici e loro inibitori.
Lo sviluppo delle ricerche in questo campo integra, in modo sinergico, la caratterizzazione strutturale e funzionale di bersagli molecolari e le competenze di bioinformatica e sintesi chimica, fondamentali per il 'drug discovery'. E' stato raggiunto un avanzato livello di progettazione e sintesi non solo di molecole bioattive ed inibitori di interesse farmacologico, ma anche di nanovettori e biomateriali finalizzati al 'drug delivery' (vedi Applicazioni biotecnologiche).


B) AMBIENTE E AGRO-ALIMENTARE
Diversi gruppi studiano l'interazione tra organismi e ambiente utilizzando approcci mirati alla produzione di varietà vegetali utili a definire modalità sostenibili in agricoltura, alla sicurezza alimentare e alla valutazione degli effetti dell'inquinamento ambientale sulla salute umana.

Gli studi nella specie modello Arabidopsis thaliana rappresentano uno strumento essenziale sia per isolare nuove varietà resistenti a stress ambientali che per la produzione di piante maschio-sterili e riguardano:
i) i fattori di trascrizione HD-Zip e il loro ruolo nelle risposte adattative della pianta, mediate da auxine e citochine, alle variazioni dell'ambiente luminoso e nello sviluppo dei diversi organi della pianta.
ii) i meccanismi molecolari di controllo dell'espressione genica mediata da fitormoni (auxina) e fattori ambientali nello sviluppo degli organi riproduttivi maschili.

Nell'ambito della sicurezza alimentare viene valutato l'effetto inibitorio di composti polifenolici sintetici sulla crescita di microfunghi contaminanti derrate alimentari e sulla biosintesi di micotossine (ad esempio Aspergillus flavus e aflatossine).

Infine, viene studiato l'impatto dell'inquinamento mediante la valutazione dell'effetto del particolato atmosferico sull'espressione genica in sistemi cellulari umani.


C) APPLICAZIONI BIOTECNOLOGICHE.
Diverse ricerche sviluppate all'IBPM hanno un alto potenziale traslazionale.

1. Studio e realizzazione di sistemi di 'delivery' di molecole a scopo terapeutico.
Diversi gruppi hanno contributo al progresso di questo campo con importanti risultati:
o Ideazione e sintesi di nanovettori ingegnerizzati a partire dalla ferritina umana per il trasporto efficace e mirato di farmaci anti-tumorali. Studi in vivo hanno dimostrato l'efficacia di questi nanosistemi contenenti chemioterapici nel colpire selettivamente cellule tumorali di diversa origine istologica;
o Sviluppo di protocolli di terapia genica basati sulla progettazione e sviluppo di vettori virali adeno-associati (AAV) per la riprogrammazione dell'espressione genica tessuto-specifica; questa tecnologia è utilizzata per veicolare fattori trascrizionali artificiali come terapia innovativa per la distrofia muscolare di Duchenne;
o Sviluppo di una metodologia innovativa per l'incorporazione di specifici RNA interferenti (siRNA e miRNA) in microvescicole di membrana (esosomi) come nuovo strumento terapeutico contro tumori correlati all'HPV;
o Produzione di nuovi biomateriali, quali idrogel a DNA ed altri materiali nanostrutturati funzionalizzabili per veicolare molecole bioattive e enzimi in tessuti bersaglio.

2. Nel campo della 'phytoremediation' (fitorisanamento), vengono utilizzate specie vegetali iperaccumulatrici per risanare terreni inquinati da arsenico o metalli pesanti. La tecnica sviluppata utilizza microfluorescenza a raggi X per valutare in modo rapido e non distruttivo il progressivo accumulo di arsenico.

3. Inoltre, vengono sviluppate attività di sintesi "in-house" e di funzionalizzazione di diverse classi di sostanze organiche (polifenoli ed eterocicli), con attività antiossidante e antimicrobica di potenziale interesse farmacologico.

Alcune di queste ricerche hanno già raggiunto uno stadio avanzato di sviluppo applicativo con prospettive di partenariato pubblico-privato.