Attività di ricerca

L'Istituto di Biofisica svolge ricerche nel campo delle scienze della vita, facendo uso di metodologie ed approcci tipici della fisica.
L'attività rientra nei settori della salute umana, dell'ambiente e dell'agroalimentare: si studiano le basi molecolari di patologie genetiche; particolare attenzione è dedicata ai meccanismi di comunicazione mediati dalle membrane cellulari, ai processi di aggregazione molecolare, alle molecole di interesse farmacologico, a temi di bioenergetica e di biochimica cellulare, alle tossine di origine microbica, alla realizzazione di sistemi/molecole fotosensibili di interesse biotecnologico o biomedico, ai problemi di inquinamento di natura antropica.

Le attività di ricerca che impegnano il personale scientifico dell'Istituto sono così rappresentate:

BIOFISICA AMBIENTALE
La biofisica ambientale si pone come obiettivo lo studio dell'interazione tra organismi (dai microorganismi all'uomo) ed ambiente. L'attività di ricerca portata avanti dall'Istituto di Biofisica si focalizza su 3 aree tematiche, che hanno come obiettivo la conoscenza dell'impatto dei cambiamenti climatici e dell'attività antropica sui delicati equilibri che regolano il ciclo del carbonio e dei contaminanti nei diversi comparti ambientali, nonché lo studio dei processi biofisici che determinano la risposta degli organismi alle perturbazioni dell'ambiente in cui vivono. Punti di forza dell'Istituto sono la sua interdisciplinarietà, la complementarietà delle competenze dei suoi ricercatori che spaziano dalla biochimica e biologia cellulare e molecolare, alla sintesi di proteine, all'ottica, alla bioenergetica e modellistica, fino all'oceanografia, nonché la capacità di affiancare ad un'attività di ricerca, che studia in maniera integrata processi che avvengono nei diversi comparti ambientali (atmosfera, litosfera, idrosfera e biosfera), lo sviluppo di nuove tecnologie per l'ambiente. Le aree tematiche svolte sono: (1) effetti dei cambiamenti climatici sull'ecosistema marino; (2) impatto di stress ambientali su organismi viventi e (3) sviluppo di nuove tecnologie per l'ambiente.
La biofisica ambientale ha un forte impatto nell'area blue growth, ed apre interessanti prospettive di ricerca legate allo sviluppo di sensori e di tecnologie di "nanoremediation", all'utilizzo di virus o enzimi marini per scopi medici e di matrici polisaccaridiche e proteiche di origine marina per l'ingegnerizzazione di biomateriali di nuova generazione. La biofisica ambientale è anche fortemente impegnata nella divulgazione scientifica e nel trasferimento di know-how a paesi in via di sviluppo in Africa e Asia.

BIOENERGETICA E BIOLOGIA MOLECOLARE DELLE PIANTE
In questo settore di ricerca si studiano i diversi processi che accadono in pianta:
1. Fotosintesi. Converte in energia chimica l'energia della luce solare: ha caratteristiche uniche in natura. Avviene nei cloroplasti dove 2 fotosistemi, subunità proteiche che legano cromofori (carotenoidi e clorofille), assorbono la luce. L'energia di eccitazione è trasferita ai centri di reazione dove ha luogo la separazione di carica con efficienza quantica >90%. L'energia è usata per trasferire elettroni da H2O a NADP (1.2eV) e per la sintesi di ATP, utilizzati nella riduzione di CO2 a carboidrati.
2. Attività e regolazione di Canali Ionici. Numerose patologie umane sono connesse al mal funzionamento di canali ionici transmembrana. Comprendere i meccanismi è essenziale per affrontare queste patologie. I canali vegetali e virali sono un valido modello sperimentale: la loro struttura costituisce il modulo base, evolutivamente conservato, di canali di organismi complessi. L'identificazione e la modificazione dei siti strutturali coinvolti nell'attività e nella regolazione aprono la possibilità di nuove vie terapeutiche.
3. Meccanismi di percezione e trasduzione dei segnali di stress biotici e abiotici. Si studiano dinamiche e interazioni reciproche (crosstalk) dei messaggeri secondari (Ca, pH, ROS) in cellule di pianta con sonde geneticamente espresse accoppiate con 'in vivo microscopy imaging'.
4. Funzioni geniche. Con l'analisi di correlazione si cercano geni candidati ad un ruolo particolare. I più promettenti vengono validati sperimentalmente (e.g. isolamento di mutanti) per ridurre il numero. Approccio generale estendibile a tutte le specie.
5. Vie trascrizionali attive nelle strutture riproduttive e geni coinvolti nello sviluppo del fiore. Sono studiati: i) i processi di sviluppo di ovulo e seme per identificare gli eventi trascrizionali e ormonali e i cambiamenti biomeccanici coinvolti; ii) i meccanismi epigenetici che governano la cascata trascrizionale coinvolta nella formazione di ovulo e seme.

PROTEINE E COMPLESSI MACROMOLECOLARI
L'attività in questa area di ricerca coinvolge gruppi di ricerca presenti a Milano, Pisa, Palermo e Trento. Le aree tematiche svolte riguardano Salute, Ambiente e Biotecnologie. Nell'ambito dell'Area Salute si studiano in vitro ed in vivo: i) nuovi nanosistemi (naturali o sintetici) capaci di interagire con proteine e di agire come nano-carrier per il drug- o protein-delivery; ii) proteine coinvolte in diverse patologie (virus, tumori, malattie genetiche e neurodegenerative) al fine di identificare, mediante studi strutturali, inibitori sviluppabili come nuovi farmaci; iii) sostanze naturali capaci di proteggere l'organismo dallo stress ossidativo; iv) particolari proteine con caratteristiche chimico-fisiche che le rendono adatte all'utilizzo nel settore della tissue engineering; v) alcune malattie legate ad aggregazione di proteine (Alzheimer, SLA, distrofia ottica, serpinopatie, ecc.) allo scopo di comprendere i processi molecolari coinvolti e individuare molecole che possano inibire o ritardare l'insorgere della patologia; vi) le interazioni tra specie amiloidi tossiche e le membrane cellulari utilizzando i liposomi come sistemi modello di membrana.
L'attività nell'ambito dell'Area Ambiente è rivolta alla determinazione di contaminanti ambientali (presenti negli alimenti o nell'aria in zone particolarmente esposte ad inquinamento non antropico) che potrebbero dare luogo a rischi biologici capaci di alterare l'espressione proteica o indurre l'apoptosi cellulare. Altri studi riguardano l'utilizzo di microalghe per il risanamento di acque reflue o nuove metodologie per la valorizzazione di alcuni sottoprodotti della filiera agroalimentare.
L'attività nell'ambito delle Biotecnologie è mirata alla comprensione dei meccanismi alla base della fototrasduzione in organismi cellulari, con particolare riguardo alle proteine fotorecettrici coinvolte.

MODELLI DI ORGANIZZAZIONE E DINAMICA DI SISTEMI COMPLESSI
Nella ricerca scientifica odierna vengono utilizzati dei modelli matematici per lo studio dei meccanismi di funzionamento di strutture fisiologiche complesse come il cervello o il cuore. Questo settore della ricerca scientifica ha un carattere fortemente interdisciplinare e l'ambito scientifico che ha saputo maggiormente coniugare ed integrare in modo ottimale queste differenti competenze scientifiche, è senz'altro quello della biofisica. Le attività di ricerca che vengono condotte presso l'istituto di biofisica del Cnr in questo ambito si collocano nel contesto della biofisica teorica e computazionale. Le principali tematiche di ricerca che vengono portate avanti si sviluppano secondo tre direzione distinte, ma interconnesse.
1) Studio: i) degli effetti della modulazione delle correnti dendritiche sull'integrazione e la plasticità sinaptica, ii) dei processi coinvolti nel riconoscimento e la percezione di odori, iii) dei processi cellulari coinvolti nel morbo di Alzheimer ed i possibili interventi terapeutici, iv) dei processi cellulari necessari per le funzioni cerebrali di alto livello quali memoria e apprendimento, v) in ambito cardiologico, dell'insorgenza di aritmie erratiche (come extrasistolie o trigeminismo), ma anche dei pattern di innesco di tachicardie e/o fibrillazioni ventricolari spontanee.
2) i) Studio di segnali neurofisiologici con metodi di analisi lineare e nonlineare di serie temporali, ii) messa a punto di nuovi metodi di analisi di segnali, iii) studio della dinamica di reti neurali realistiche.
3) i) Sviluppo di metodi efficienti per il calcolo di classi di trasformate integrali associate alla ricostruzione di segnali multidimensionali da proiezioni: trasformate di Abel, Radon, Fourier-Bessel, ii) generalizzazione del Teorema di Shannon-Kotelnikov (campionamento) a funzioni di variabile reale non a banda limitata (associate a classi di funzioni meromorfe nel piano complesso).

MEMBRANE BIOLOGICHE, CANALI E TRASPORTATORI
Le membrane biologiche per le loro caratteristiche fisico-chimiche sono impermeabili a specie cariche o polari. Esistono perciò proteine specializzate, chiamate canali e trasportatori, che selettivamente sono in grado di consentire il passaggio attraverso le membrane biologiche di ioni e metaboliti carichi o polari. Nei canali viene aperto un vero e proprio poro di permeazione che consente il movimento dello ione o molecola secondo gradiente elettrochimico mentre nei trasportatori ci sono meccanismi più complessi di interazione tra proteina e specie da trasportare. La membrana inoltre può venire permeabilizzata da peptidi (chiamati tossine) esterni alla cellula prodotti per esempio da batteri e funghi. Obiettivo di questa attività di ricerca è lo studio funzionale e strutturale di canali ionici, trasportatori e tossine. Vengono anche ricercate interazioni con altre proteine e ricercate potenziali sostanze modulatrici. Le possibili ricadute applicative di questi studi sono evidenziate dal fatto che tutte queste macromolecole hanno un forte impatto sia sulla fisiologia cellulare che sulla vita dell'organismo stesso: per esempio nel caso dell'uomo esistono numerose gravi malattie genetiche associate a canali e trasportatori espressi sia sulla membrana plasmatica che in organelli e compartimenti intracellulari. Poiché canali e trasportatori sono coinvolti nell'omeostasi cellulare e sono in grado di rilevare le concentrazioni di importanti ioni e metaboliti cellulari, parte integrante di questa attività di ricerca è lo sviluppo di biosensori per monitorare le variazioni di parametri vitali.