Istituto di chimica del riconoscimento molecolare (ICRM)

Attività di ricerca

La ricerca dell'ICRM è organizzata in:

4 commesse (1-Biocatalizzatori; 2-Sviluppo di microsistemi analitici; 3-Targeting e inibizione dell'angiogenesi; 4-Simulazioni molecolari di sistemi biologici);

3 moduli di commessa (1-Modellistica molecolare di proteine legate a processi patologici; 2-Proteomica salivare; 3- Funzionalità dell'eritrocita - Eritropoiesi negli organismi polari);

1 ricerca a tema libero (Riconoscimento molecolare di composti bioattivi mediante ciclodestrine e loro caratterizzazione isotopica).

Le ricadute delle attività di ricerca dell'ICRM sono di natura sia culturale (ricerche di curiosità) che applicativa (ricerche mirate). Ricerche di curiosità: l'Istituto svolge attività di primo piano a) nello studio delle proprietà e della regolazione di emoproteine e di proteine legate a patologie neurodegenerative, b) nelle indagini della stabilità, dinamica e folding di peptidi e proteine e delle interazioni proteina-ligando condotte sia mediante modellistica molecolare che con metodi spettroscopici.
Ricerche mirate: a) sviluppo della biocatalisi applicata alla sintesi e modificazione di composti di interesse per la chimica fine e farmaceutica e per il settore alimentare, b) isolamento e caratterizzazione di sostanze naturali con attività biologica, c) sintesi e studio delle proprietà chimico-fisiche e biomediche di composti organici fluorurati, d) sviluppo di metodiche separative in microscala e di microarrays a DNA e proteine.

Nel 2007 l'attività di ricerca si è svolta, oltre che con i fondi provenienti dal finanziamento ordinario del CNR, con contributi provenienti dalla Comunità Europea, dal MIUR e da altri ministeri, da enti locali, e da industrie farmaceutiche e biotecnologiche.

Di seguito sono brevemente descritti le varie attività.

Commessa "Biocatalizzatori".
Premessa. La ricerca ha come obiettivo generale lo sviluppo di nuovi processi biocatalizzati di interesse per l'industria farmaceutica, chimica, cosmetica e alimentare. Attraverso lo studio e l'utilizzo di enzimi appatenenti alle classi delle ossidoriduttsi e delle idrolasi questa commessa si prefigge il raggiungimento dei seguenti tre obiettivi specifici: a) Isolamento, caratterizzazione e ottimizzazione delle prestazioni di nuovi biocatalizzatori. b) Utilizzo di trasformazioni biocatalizzate nella sintesi di composti ad attività biologica. c) Scaling-up delle reazioni biocatallizzate.
Risultati 2007. Varie idrossisteroide deidrogenasi sono state usate per la modifica regioselettiva di steroidi poliossidrilati; laccasi e glicosidasi per la modifica di fenoli e glicosidi; lipasi e monoossigenasi per la preparazione enantioselettiva di sintoni chirali, di molecole odoranti e di poliesteri funzionalizzati. Si è conclusa la purificazione di una nuova alfa-galattosidasi. Riguardo allo scaling-up delle reazioni, sono stati acquisiti nuovi dati significativi sull'influenza del mezzo di reazione sulla selettività e attività di lipasi, laccasi e Baeyer-Villiger monoossigenasi; sono stati studiati nuovi sistemi per il riciclo "in situ" dei cofattori NAD(P)(H) in reazioni redox catalizzate da deidrogenasi e monoossigenasi. I risultati di queste ricerche sono stati oggetto di una domanda di brevetto depositata nel 2007, oltre che di 18 articoli e 1 capitolo di libro.

Commessa"Sviluppo di microsistemi analitici".
Premessa. Lo sviluppo di dispositivi microfluidici per lo studio di genoma e proteoma accelera enormemente la velocità di raccolta dell' informazione aumentando l'automazione e riducendo la quantità di materiale richiesto per l'analisi ed il suo costo. L'attività della commessa prevede lo sviluppo di sistemi analitici miniaturizzati, quali sistemi per 1) elettroforesi di DNA in microchip, 2) microarray a DNA e proteine, 3) metodi fluoroimmunologici a risoluzione di tempo per la rilevazione di analiti di impatto ambientale. I risultati attesi all'interno sono: 1) metodi separativi per microchip elettroforesi di acidi nucleici; 2) superfici funzionali per tecnologia microarray; 3) immunogeni per l'identificazione di pesticidi, nuovi marcatori utilizzando chelanti per ioni europio e terbio.
Risultati 2007. L'attività svolta ha portato alla sintesi di nuove molecole, esteri ditiobenzoici, agenti trasferitori di catena per polimerizzazioni RAFT. Sono stati messi a punto protocolli per il rivestimento delle superfici di vetro,oro e silicio utilizzando sia polimeri RAFT che polimeri ottenuti medianti sintesi radicalica convenzionale. I rivestimenti ottenuti sono stati utilizzati con i seguenti scopi: i) per immobilizzare sonde biologiche in tecnologia microarray, ii) per prevenire l'adesione cellulare su vetro, iii) per sopprimere il flusso elettroosmotico in microcanali per elettroforesi capillare. Significativi risultati sono stati ottenuti nell'ambito dei progetti comunitari NANOSPAD e TRACEBACK che hanno riguardato la messa a punto di metodi per l'analisi di IgE in formato microarray e per la determinazione di patogeni nel latte(vedi http://www.nanospad.org).

Commessa "Targeting e inibizione dell'angiogenesi".
Premessa. L'angiogenesi è un fenomeno che nell'adulto è legato esclusivamente all'insorgenza di situazioni patologiche, ad esempio tumori solidi. L'inibizione e il targeting dell'angiogenesi, sfruttando dei marker proteici selettivi che vengono over-espressi in condizioni di angiogenesi, rappresentano delle strategie di grande e crescente importanza in terapia e diagnosi delle malattie connesse. Le azioni chiave della commessa sono il design, sintesi e valutazione biologica di molecole per il targeting e l'inibizione dell'angiogenesi, sfruttando i markers PIGF, integrine (alfaVbeta3 e alfaVbeta5), ED-B e Metalloproteinasi di Matrice (MMPs). Un punto chiave è rappresentato dall'individuazione di tecniche di sintesi, anche combinatorie, innovative e mirate di nuove entità molecolari per il targeting e l'inibizione dell'angiogenesi.
Risultati 2007. Sono state sviluppate due linee di attività: (a) E' stata perseguita la sintesi di molecole appartenenti alla famiglia delle tubulisine, tetrapeptidi citotossici che disintegrano i microtubuli causando l'apoptosi cellulare, e che sono prodotte naturalmente da famiglie di mixobatteri in quantita' molto bassa. Da qui l'interesse a produrre per via sintetica queste molecole, che hanno un IC50 a livello picomolare. (b) Sono stati sintetizzati e testati biologicamente nuovi analoghi fluorurati di inibitori delle metalloproteasi di matrice.

Commessa "Simulazioni molecolari di sistemi biologici".
Premessa. Le tematiche di ricerca proposte riguardano lo studio di problemi di self-organization (folding e aggregazione) di peptidi e proteine e di design di nuove molecole nel contesto della computational biology. Questi temi vengono affrontati con l'applicazione e lo sviluppo di nuovi metodi teorici e di simulazione e con la progettazione in silico di nuove molecole, peptidi e piccole proteine. Il tipo di ricerca proposta è estremamente interdisciplinare e riguarda temi che vanno dalla biologia strutturale, alla meccanica statistica per la caratterizzazione ed analisi degli spazi conformazionali delle molecole, alla chimica-fisica per lo studio delle interazioni fini a livello atomico coinvolte nei processi studiati. Inoltre, si prevede la collaborazione con gruppi di computer-science, informatica e bioinformatica per lo sviluppo di approcci di high-performance e parallel computing al fine di estendere su larga scala i metodi sviluppati.
Risultati 2007. Si sono ottenuti i seguenti risultati: 1) Sviluppo di un nuovo algoritmo generale per la previsione della struttura e dei meccanismi di folding di proteine a partire da informazione di sequenza. 2) Sviluppo e applicazione di metodi di profiling delle interazioni determinanti nel riconoscimento di ligandi in proteine a struttura nota, tenendo esplicitamente conto della flessibilità del recettore e del ligando. 3) Traduzione delle informazioni precedenti in modelli di farmacofori e loro uso nello screening di librerie di piccole molecole. 4) Individuazione di nuove molecole antitumorali. Inibitori di Hsp90 e di processi angiogenetici. 5) Unificazione dei concetti di folding-misfolding e local-remodeling in proteine coinvolte in particolari vie metaboliche.

Modulo "Modellistica molecolare di proteine legate a processi patologici".
Premessa. Lo studio delle cause molecolari di importanti patologie cronico-degenerative, neurodegenerative, cardiovascolari, metaboliche e tumorali rappresenta uno degli aspetti fondamentali della medicina nell'era post-genomica. Nella maggior parte dei casi, nella genesi di queste patologie sono coinvolte proteine mutate o ripiegate in una struttura 3D non corretta (nativa). Lo studio delle correlazioni sequenza-struttura-dimamica-funzione delle proteine coinvolte può quindi fornire informazioni fondamentali per identificare nuovi approcci terapeutici per il trattamento delle patologie. In questo contesto, i nostri studi si propongono di utilizzare un approccio interdisciplinare per la definizione degli eventi molecolari descritti sopra utilizzando studi funzionali, strutturali e computazionali di biomolecole, per ottenere una visione a risoluzione atomica dei processi coinvolti e progettare razionalmente a livello molecolare nuovi approcci terapeutici.
Risultati 2007. Sono stati costruiti i modelli tridimensionali di alcune varianti emoglobiniche, della cistatina umana SA e del dominio C-terminale di p53 in presenza di una nuova mutazione (G389E); è stata caratterizzata tridimensionalmente l'interazione tra DOX, DNR e carbonil reduttasi al fine di progettare antracicline meno cardiotossiche. Nell'ambito degli studi sulle patologie degenerative i risultati hanno evidenziato che le funzioni mitocondriali di cellule sottoposte all'azione del beta amiloide sono fortemente compromesse, mostrando una significativa riduzione sia del consumo di ossigeno che del potenziale di membrana. E' stato inoltre sviluppato e testato su dati sperimentali un nuovo metodo teorico per la previsione della tendenza all'aggregazione e per la previsione della struttura e del meccanismo di formazione di aggregati.

Modulo "Proteomica salivare".
Premessa. L'obiettivo della ricerca è la caratterizzazione del complesso proteico salivare umano e di mammiferi nell'intento di approfondire i meccanismi molecolari coinvolti nella difesa del cavo orale. I prodotti attesi sono: Approfondimenti cultarali di base; Peptidi ad attività biologica. Valutazione della biocompatibilità di materiali di interesse odontoiatrico. Nuovi metodi analitici. Caratterizzazione di nuovi marcatori prognostici e diagnostici.
Risultati 2007. L'attività dei peptidi ricchi in prolina isolati da fluido salivare umano e di altri mammiferi, ha evidenziato la capacità di questi ultimi di modulare il metabolismo energetico e lo stress ossidativo e nitrosativo di cellule tumorali della mucosa orale. Inoltre alcuni peptidi ricchi in prolina di origine animale hanno mostrato interessanti attività antifungine e antibatteriche nei confronti di Cryptococcus neoformans Candida albicans e Staphylococcus aureus. studi strutturali sono stati intrapresi su questi peptidi mediante l'impiego di tecniche di CD e FTIR. Dai dati ottenuti, è stato possibile evidenziare come in generale questi peptidi posseggano in soluzione acquosa una struttura mista random coil-Poliprolina II che sembra esere importante per lo svolgimento dell'attività biologica. Sono inoltre in corso esperimenti per evidenziare i target molecolari di alcuni di questi peptidi mediante tecniche di microscopia confocale. Utilizzando tecniche di spettrometria di massa, sono stati identificati nuovi peptidi ricchi in prolina isolati da ghiandole salivari animali.

Modulo "Funzionalità dell'eritrocita - Eritropoiesi negli organismi polari".
Una specifica molecola deve essere considerata, all'interno della cellula, in continua interazione con diversi altri componenti biologici. Queste interazioni definiscono uno spazio strutturale e funzionale multidimensionale che può risultare anche dipendente dal tempo. Alla luce di queste considerazioni, scopo della ricerca è lo studio del ruolo che l'emoglobina di organismi polari svolge non solo nel trasporto di ossigeno ma anche nella modulazione del metabolismo eritrocitario e nel processo di invecchiamento dei globuli rossi. Una particolare attenzione verrà data anche ai meccanismi di regolazione dell'eritropoiesi. Le peculiari caratteristiche degli ambienti polari, rendono gli organismi polari particolarmente adatti allo studio degli adattamenti molecolari e cellulari che si sono sviluppati in risposta alle particolari ed estreme condizioni ambientali. Non si deve trascurare la possibilità che la comprensione delle basi molecolari di alcuni adattamenti funzionali, sia a carico dell'emoglobina che di altre proteine ad attività enzimatica, possa essere utilizzata sul piano biotecnologico sia in campo biomedico che industriale.
Risultati 2007. Le analisi funzionali condotte su emoproteine provenienti da pesci antartici hanno evidenziato alcune particolari caratteristiche come la bassa sensibilità alle variazioni di temperatura, in accordo con il particolare habitat in cui questi organismi vivono.- Esperimenti di Western blot eseguiti su campioni di tessuto muscolare di T. bernacchii e C. hamatus, hanno evidenziato una banda immunoreattiva di massa molecolare compatibile con quella della subunità beta del DG. Inoltre, le nostre analisi suggeriscono che in alcuni teleostei mesofili, utilizzati come riferimento, il gene del DG si sia duplicato generando due geni: il DAG1a, contenente un piccolo introne di circa 140 bp, e il DAG1b.

Ricerca a tema libero "Riconoscimento molecolare di composti bioattivi mediante ciclodestrine e loro caratterizzazione isotopica".
Premessa. Il progetto riguarda la determinazione dell'origine di molecole di interesse in ambito alimentare o farmacologico mediante lo studio della composizione isotopica di alcuni elementi presenti nella molecola (deuterio e ossigeno-18). Un secondo obiettivo riguarda l'isolamento di nuovi composti naturali e lo studio dei meccanismi che regolano il riconoscimento molecolare di molecole bioattive mediante ciclodestrine quali semplici modelli recettoriali.
Risultati 2007. Sono stati completati gli studi sul tracciamento isotopico del deuterio della fluoxetina, potente antidepressivo di uso comune (Prozac), sia sintetizzato a partire da precursori diversi che isolato da confezioni farmaceutiche commerciali ed è stato pubblicato uno studio sulla struttura ed attività di alcuni nuovi metaboliti della spirolaxina

PRODOTTI DELLA RICERCA
Il risultato delle attività più propriamente culturali è rappresentato da: 2 brevetti, 66 articoli su riviste ISI (Impact Factor medio 3.7), 1 articolo su rivista non ISI, 3 atti di convegno, 4 capitoli di libro, 36 relazioni o comunicazioni a congressi.
Molto importante è stata anche l'azione di supporto alle attività produttive che si è svolta tramite le collaborazioni con numerose industrie chimiche, farmaceutiche e biotecnologiche.

CONCLUSIONI
Nel complesso si è riscontrata una buona corrispondenza tra obiettivi previsti e risultati ottenuti.