Attività di ricerca

L'IBBE costituisce uno dei principali centri di ricerca nel campo della Bioenergetica e Biomembrane a livello nazionale ed internazionale. Le principali attività di ricerca riguardano la caratterizzazione strutturale e funzionale di geni e proteine, noti o di nuova identificazione, coinvolti nella biogenesi e nel metabolismo energetico mitocondriale, particolarmente i complessi della catena respiratoria e i carriers mitocondriali, la regolazione cellulare di questi sistemi e il loro ruolo nell'omeostasi cellulare, il ruolo dei mitocondri nel differenziamento cellulare e nell'apoptosi e le alterazioni mitocondriali sia in patologie ereditarie e degenerative che nell'invecchiamento. Più recentemente l'attività di ricerca dell'IBBE si è ampliata a tematiche inerenti la scala omica, in particolare rivolte agli studi di genomica comparata e trascrittomica avvalendosi di dati prodotti da piattaforme di sequenziamento di nuova generazione, la Bioinformatica, e la Biodiversità Molecolare.
L'attività di ricerca dell'IBBE è articolata in 5 commesse:
BIOGENESI DELLE MEMBRANE DI TRASDUZIONE DELL'ENERGIA
La commessa comprende ricerche basate su diversi sistemi di membrane. Particolare attenzione è data allo studio della biogenesi mitocondriale e della sua regolazione in condizioni fisiopatologiche. Infatti, i mitocondri, organuli dotati di membrane di trasduzione dell'energia, sono fondamentali nella risposta della cellula a vari tipi di stress. Vengono studiati in particolare: molecole costituenti la membrana mitocondriale quali la cardiolipina e vari aspetti della bioenergetica mitocondriale in situazioni fisiopatologiche e dismetaboliche, il DNA mitocondriale e i fattori nucleari che ne regolano l'espressione, ed il proteoma. Lo studio delle membrane di trasduzione dell'energia ha coinvolto anche sistemi diversi dal mitocondrio, quali le membrane di cloroplasto di spinacio, in quanto sede di proteine coinvolte nella cattura della luce (light harvesting complex), e batteri fotosintetici (Rhodobacter sphaeroides) di interesse per il biorisanamento ambientale. L'interesse per i batteri e la loro capacità di costituire una fonte ancora poco sfruttata di enzimi di interesse industriale, ha dato l'avvio a nuovi studi basati su approcci metagenomici per l'individuazione di enzimi attivi anche in condizioni estreme.
Le tematiche di ricerca sono:
Studio delle proteine coinvolte nella biogenesi e nel turnover mitocondriale, nonché del sistema genetico mitocondriale e dei fattori che ne regolano l'espressione in condizioni fisiologiche, di stress ossidativo, nello sviluppo dei tumori, dopo vari trattamenti nutrizionali e farmacologici in organismi modello e/o nell'uomo. Studio di alterazioni qualitative e quantitative del DNA mitocondriale e loro conseguenze nell'invecchiamento e in patologie quali neuropatie ottiche mitocondriali e tumori.
Studio del ruolo dei ROS e dei fosfolipidi, con particolare attenzione alla cardiolipina, nel contesto della funzionalità e della permeabilità mitocondriale, sia in vitro che in diverse situazioni fisiopatologiche, tra le quali l'invecchiamento, il diabete e l'ischemica/riperfusione cardiaca ed effetto di potenziali terapie antiossidanti.
Identificazione di allergeni negli alimenti vegetali e loro produzione come molecole ricombinanti.
Bio-remediation da metalli pesanti mediante batteri chemiotrofici (Sphingobium) e fototrofici (Rhodobacter).
Caratterizzazione di enzimi identificati nei microbioti marini.
Sistemi cellulari/Organismi modello utilizzati
Linee cellulari umane
Ratto
Drosophila melanogaster
Riccio di mare
Rhodobacter sphaeroides;
Spingobium sp. ba1;
Microbioti ambientali (Saline di Margherita di Savoia).
Obiettivi della ricerca
Sviluppo di conoscenze sui meccanismi della espressione genica mitocondriale e delle vie di segnalazione che regolano la biogenesi e il turnover mitocondriale. Sviluppo di conoscenze del meccanismo di azione di molecole antiossidanti sui danni ossidativi al DNA e alle proteine mitocondriali in animali modello e in tessuti umani. Effetti di interventi nutrizionali e farmacologici sulla la biogenesi e il turnover mitocondriale, nonché sulla bioenergetica e sulla transizione di permeabilità mitocondriale (MPTP) in situazioni normali e fisiopatologiche.
Caratterizzazione a livello genomico e trascrittomico della risposta di R. sphaeroides e Sphingobium alle variazioni ambientali, con particolare riferimento alle capacità del batterio di resistere ad elevate contaminazioni di metalli pesanti.
Individuazione e caratterizzazione di enzimi di interesse biotecnologico da popolazioni batteriche tipiche degli ambienti marini.


SISTEMI BIOENERGETICI DI MEMBRANA: MECCANISMI FUNZIONALI E PATOFISIOLOGIA
Le ricerche sono articolate attraverso le seguenti linee: studio dei meccanismi di controllo cellulare della espressione, funzione e assemblaggio dei complessi della catena respiratoria in eucarioti e procarioti.
Lo studio della bioenergetica sta acquisendo crescente interesse nella ricerca, sia di base che clinica, per il ruolo svolto dai mitocondri nel controllo di eventi fisiopatologici come crescita cellulare, invecchiamento e apoptosi e quindi in patologie proliferative e degenerative. In questo contesto la trasduzione del segnale, in particolare l'AMPc, gioca un ruolo principale nella regolazione della biogenesi e della funzionalità mitocondriale, e del bilancio dei ROS in condizioni fisiologiche e patologiche.Un'altra area di interesse riguarda lo studio dei complessi respiratori di membrana in microrganismi di interesse industriale. Particolari risultati sono stati ottenuti riguardo la struttura e la funzione dei complessi citocromo c ossidasi e ATP sintasi di mitocondri e batteri.
2. Molte malattie genetiche, e varie forme di cancro, sono causate da mutazioni nonsenso che generano codoni di stop prematuri (PTCs) con conseguente arresto prematuro della traduzione. Le conseguenze funzionali della presenza di PTC comprendono la degradazione del mRNA e la sintesi di proteine tronche spesso aberranti o non funzionali. Ad oggi non è disponibile una terapia genica per il trattamento terapeutico di queste malattie. Un approccio alternativo è basato sull'uso di agenti chimici capaci di sopprimere i PTCs (read through), interferendo con il meccanismo di lettura del PTC ma non del codone di stop naturale, ripristinando la sintesi dell'intera proteina. La ricerca di molecole a basso peso molecolare, capaci di indurre read through ha grande rilevanza in tale contesto e richiede un efficiente sistema di screening su larga scala.
Le tematiche di Ricerca comprendono:
Meccanismi di controllo cellulare della espressione, funzione e assemblaggio dei complessi della catena respiratoria in fisiopatologia.
Meccanismi di cooperatività allosterica dei sistemi di trasduzione dell'energia (pompa protonica citocromo c ossidasi); ruolo della trasduzione del segnale nella regolazione della funzionalità mitocondriale.
Meccanismi patogenetici alla base delle disfunzioni mitocondriale nel Parkinson, in altre patologie neurodegenerative e nei tumori.
Approcci di genomica e proteomica nello studio di patologie umane e in microorganismi di interesse industriale.
Caratterizzazione dei geni costituenti l'operone delle ossidasi terminale e loro espressione in microorganismi produttori di antibiotici.

Meccanismi funzionali del NMD e fattori di regolazione
Il lievito Saccharomyces cerevisiae come sistema genetico per l'espressione di proteine eterologhe d'interesse biomedico e/o biotecnologico.
Sistemi cellulari/organismi modello utilizzati
Linee cellule, primarie e immortalizzate, di mammifero.
Linee cellulari di fibroblasti ottenute da biopsia dermica di soggetti affetti da patologie neurologiche.
Linee cellulari tumorali.
Microrganismi di interesse industriale.
Lievito Saccharomyces cerevisiae
Obiettivi della ricerca
Lo scopo generale è l'incremento della conoscenza sui meccanismi di regolazione AMPc-dipendenti della funzione mitocondriale in condizioni fisiopatologiche. L'estensione di questi risultati contribuirà a comprendere il ruolo dei mitocondri negli eventi cellulari e molecolari che portano alla degenerazione cellulare fornendo dati importanti per l'elaborazione di nuove strategie terapeutiche. Incrementare la conoscenza dei meccanismi di funzionamento del NMD nella cellula eucariotica e ai fini dello sviluppo di trattamenti delle malattie genetiche associate a mutazioni nonsenso (PTC), alternativi alla terapia genica. Utilizzo delle tecnologie di espressione in S. cerevisiae per la produzione quantitative di proteine umane per motivi di studio e di proteine destinate a dispositivi industriali.


TRASPORTATORI MITOCONDRIALI: STRUTTURA E MECCANISMI FUNZIONALI
L'attività di ricerca si occupa della identificazione e della caratterizzazione funzionale e strutturale di proteine trasportatrici della membrana interna dei mitocondri appartenenti alla famiglia SLC25 conosciuta come "mitochondrial carrier family (MCF)". Nell'uomo, 53 geni codificano proteine della famiglia SLC25 e ciascuna di esse media il trasporto di specifici metaboliti attraverso la membrana mitocondriale interna, permettendo l'integrazione e il completamento di importanti processi metabolici che si svolgono tra mitocondri e citosol.
Tematiche di ricerca
a) Studio del rapporto tra struttura e funzione dei trasportatori mitocondriali mediante mutagenesi sito diretta, modificazione chimica, ricostituzione, homology modelling. Studio della regolazione dell'attività di trasporto mediata dai carrier mitocondriali svolta sia da effettori endogeni che da molecole xenobiotiche.
b) Identificazione dell'attività catalitica di carrier mitocondriali della famiglia SLC25 di funzione ancora ignota e studio del loro ruolo fisiologico in modelli cellulari in vitro.
c) identificazione di mutazioni di geni codificanti membri della famiglia SLC25 in pazienti affetti da malattie associate a disfunzioni di carrier mitocondriali e studio dei meccanismi patogenetici in modelli cellulari.
Sistemi cellulari/organismi modello utilizzati
a) Utilizza sia sistemi in vitro come i proteoliposomi in cui vengono ricostituite proteine animali (uomo, ratto, zebrafish) , di fungo (A.nidulans), che sistemi in vivo come cellule primarie quali senso-neuroni di ratto e linee cellulari tumorali: Hela, HepG2, ChoK1.
b) Gli studi di identificazione funzionale prevedono la ricostituzione delle proteine SLC25 ricombinanti di varie specie (mammifero, C. elegans, D. melanogaster, lievito) in proteoliposomi.
c) Gli studi del ruolo fisiologico e dei meccanismi patogenetici delle proteine SLC25 prevedono approcci sperimentali di overespressione e silenziamento genico in modelli cellulari di lievito (S. cerevisiae) o in linee cellulari primarie e secondarie di mammifero.
Obiettivi
L'obiettivo primario della commessa è quello di approfondire sempre più le conoscenze dei meccanismi alla base del trasporto di metaboliti attraverso le membrane biologiche, in particolare della membrana mitocondriale, partendo da approcci sperimentali classici fino ad utilizzare le tecnologie più avanzate oggi a disposizione della ricerca. A questo scopo sono stati messi a punto e vengono utilizzati vari modelli sperimentali per studiare il metabolismo cellulare e la regolazione dell'espressione genica di tali proteine.


INTERRELAZIONE NUCLEO/ CITOPLASMA/ MITOCONDRI NELL'OMEOSTASI CELLULARE
Oggetto di studio della commessa sono le vie di segnalazione e il metabolismo mitocondriale in modelli di malattie neurodegenerative, del neurosviluppo e nel cancro. Il delicato bilancio fra morte e proliferazione cellulare è essenziale nella genesi di diverse patologie e i mitocondri si stanno rivelando fattori chiave nella regolazione della crescita/morte cellulare, nella segnalazione intracellulare e nell'integrazione di segnali di stress. I target di questa ricerca riguardano la comunicazione retrograda mitocondri-nucleo, la modulazione del metabolismo mitocondriale in condizioni fisiopatologiche e il network di segnali intra ed inter-cellulari nella regolazione della proliferazione, invasione e morte cellulare. I principali obiettivi scientifici sono: i) capire come le reti di segnalazione cellulare regolino decisioni di vita e di morte; ii) scoprire nuovi composti naturali e/o di sintesi in grado di interferire con la patologia per future applicazioni in campo farmacologico.

Le tematiche di Ricerca sono:
Studio e caratterizzazione del metabolismo mitocondriale in condizioni fisiopatologiche.
Caratterizzazione dei meccanismi molecolari nella patogenesi di malattie genetiche associate a disabilità intellettiva: disfunzioni mitocondriali e stress ossidativo nella sindrome di Down e sindrome di Rett
Caratterizzazione di vie di "signaling" attivate nelle fasi precoci della neurodegenerazione e ruolo del mitocondrio in un modello sperimentale della malattia di Alzheimer.
Studio di nuovi fattori regolatori della morte cellulare programmata nell'organismo modello Saccharomyces cerevisiae; comunicazione retrograda mitocondri-nucleo nella risposta cellulare allo stress; biodiversità e applicazioni in campo biomedico e bio-agroalimentare.
Caratterizzazione di enzimi implicati nell'omeostasi di cofattori flavinici.
Studio della bioenergetica e del metabolismo glucidico del tumore e identificazione di nuovi composti in grado di determinare la morte delle cellule tumorali, in vitro.
Caratterizzazione del network di interazioni intra- ed inter-cellulari nella regolazione di proliferazione, invasione e morte cellulare.
Identificazione di vie di signaling aberranti che si attivano in corso di trasformazione neoplastica.

Sistemi cellulari/organismi modello utilizzati
Linee cellulari umane farmaco-resistenti rappresentative della forma avanzata del carcinoma prostatico (PC-3, DU145 e C4-2).
Linee cellulari umane di carcinoma mammario a diverso grado di potenziale invasivo (MCF-7, MDA-MB-231).
Linee cellulari umane deplete di DNA mitocondriale [Rho(0)].
Linea cellulare umana farmaco-resistente di mesotelioma pleurico maligno a morfologia epitelioide (REN) e bifasica (epitelioide/sarcomatoide, MSTO-211H).
Fibroblasti e linfoblastoidi umani con trisomia del cromosoma 21.
Linee cellulari progenitori di neuroni (NPCs) isolate da ippocampo di un modello murino di sindrome di Down (Ts65Dn).
Linee cellulari umane progenitori dei neuroni retrodifferenziate (iPSCs).
Cellule di lievito S.cerevisiae wild type e mutate.
Cellule di lievito che esprimono proteine umane o vegetali.

Obiettivi della ricerca
Identificazione di possibili target molecolari coinvolti nel neurosviluppo e individuazione di nuove strategie terapeutiche volte a migliorare la funzionalità mitocondriale e a ridurre lo stress ossidativo nelle sindromi di Down e di Rett.
Individuazione e caratterizzazione delle vie di signaling coinvolte nel processo neurodegenerativo. Studio del meccanismo patogenetico dei peptidi tossici di Tau e Beta-amiloide a livello neuronale.
Caratterizzazione dei meccanismi della morte cellulare programmata in S. cerevisiae; ruolo dei mitocondri nella risposta allo stress e nella resistenza alla morte cellulare; segnalazione retrograda mitocondri-nucleo; espressione eterologa di BRCA2 e studio del suo effetto sui processi di crescita e morte cellulare; espressione eterologa di proteine virali di pianta ed effetto sui processi di crescita e morte cellulare.
Studio del metabolismo energetico del tumore e identificazione di nuovi pathway metabolici quali potenziali target per lo sviluppo di terapie anti-tumorali specifiche. Caratterizzazione di molecole/complessi molecolari di membrana coinvolti nell'invasione tumorale. Ruolo di mutazioni del DNA mitocondriale nella progressione tumorale e nella formazione di metastasi. Identificazione di nuove vie di segnale alterate nell'inizio e nella progressione tumorale.


STUDIO DELLA BIODIVERSITÀ MOLECOLARE PER LO SVILUPPO DI PRODOTTI E PROCESSI INNOVATIVI
L'avvento delle tecnologie high-throughput, particolarmente le piattaforme di sequenziamento di nuova generazione, ha innescato una profonda rivoluzione della ricerca biomedica sia per la scala, che ora ha raggiunto una dimensione "omica", sia per l'apertura di nuovi orizzonti con applicazioni potenziali fino a qualche tempo fa inimmaginabili. La ricerca su scala "omica", che produce enormi volumi di dati ancora in crescita esponenziale e a costi sempre più contenuti, necessita di infrastrutture ICT e sistemi avanzati di analisi bioinformatica. In tale scenario si collocano le linee di ricerca di questa commessa, che si avvalgono di competenze multidisciplinari, dell'integrazione delle più avanzate attività sperimentali e risorse computazionali per l'analisi e l'interpretazione dei dati e del supporto di grandi infrastrutture di ricerca europea quali ELIXIR (Bioinformatica) e LIFEWATCH (Biodiversità Molecolare).

Principali Linee di Ricerca
1) Sviluppo di metodologie bioinformatiche e banche dati specializzate per l'analisi tassonomica e la caratterizzazione funzionale di dati "omici". In particolare le metodologie bioinformatiche comprendono: i) assemblaggio e annotazione di genomi virali, procariotici ed eucariotici; ii) studio del trascrittoma in procarioti ed eucarioti e del pattern di splicing alternativo di geni eucariotici; iii) identificazione e caratterizzazione funzionale di eventi di RNA editing; iv) evoluzione e caratterizzazione funzionale del genoma mitocondriale; v) caratterizzazione tassonomica e funzionale del microbioma.
2) Annotazione strutturale e funzionale del genoma e dei meccanismi di regolazione dell'espressione genica di organismi procariotici ed eucariotici, virus e organelli (mitocondri e cloroplasti) attraverso tecnologie High-Throughput Sequencing (HTS) e strumenti bioinformatici avanzati. In particolare, l'attività di ricerca è volta all'assemblaggio e all'annotazione funzionale dei genomi, all'analisi del trascrittoma e agli studi sul pattern di splicing alternativo dei geni eucariotici, allo studio dell'RNA editing, degli altri caratteri epigenetici e delle interazioni acidi nucleici - proteine.
3) Caratterizzazione tassonomica e funzionale del microbioma di campioni ambientali (tra i quali acque, suoli, sedimenti), clinici (tra i quali feci, mucosa intestinale, aria espirata) ed agroalimentari (tra i quali prodotti intermedi di filiere fermentative) basata su approcci metagenomici con tecnologie di sequenziamento ad alta processività (HTS) e strumenti bioinformatici avanzati.

Tecnologie di indagine
Le tecnologie di indagine utilizzate includono:
sistemi automatici e strumentazione avanzata per l'estrazione di acidi nucleici (DNA e RNA) da campioni clinici e ambientali eterogenei, per il sequenziamento massivo e per la caratterizzazione enzimatica di proteine espresse in sistemi eterologhi;
piattaforme bioinformatiche avanzate per lo storage e l'analisi dei dati, incluse banche dati specializzate, algoritmi e software per l'analisi bioinformatica.

Obiettivi della ricerca
I principali obiettivi della ricerca includono:
1) caratterizzazione dei processi molecolari specifici nell'invecchiamento, nelle malattie neurodegenerative e nei tumori e identificazione di biomarker specifici della condizione patologica e della sua progressione.
2) Sviluppo di metodologie innovative sperimentali e bioinformatiche per l'analisi metagenomica, per la caratterizzazione tassonomica e funzionale della biodiversità microbica di campioni alimentari, ambientali e clinici, volta al monitoraggio ambientale, alla tutela della qualità, della tracciabilità e della sicurezza degli alimenti e allo studio di correlazioni rispetto a specifiche condizioni fisiologiche e patologiche.
3) Identificazione e caratterizzazione di nuovi ceppi microbici e prodotti genici per lo sviluppo di processi innovativi per applicazioni biotecnologiche in ambito medico, agroalimentare e ambientale. In particolare, l'analisi di campioni provenienti da ambienti "estremi" o comunque sede di specifiche attività metaboliche sarà volta alla ricerca di nuove funzionalità molecolari potenzialmente trasferibili alle catene biotecnologiche.
4) Sviluppo ed erogazione di servizi e consulenze a soggetti pubblici e privati.