Descrizione del modulo "Studio dell'interazione dei campi elettromagnetici con modelli di membrana cellulare (ME.P06.012.006)"

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  • Descrizione del modulo "Studio dell'interazione dei campi elettromagnetici con modelli di membrana cellulare (ME.P06.012.006)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Ampliare le conoscenze dell'interazione dei campi elettromagnetici con i sistemi biologici, specificatamente nell'intervallo di frequenze intermedie e ai THz. E' stato ipotizzato che le eccitazioni coerenti, guidate dai processi metabolici, esistono a frequenze dei THz. L'evidenza per queste eccitazioni è al momento dubbia ma, se gli effetti sono provati, le implicazioni potrebbero essere considerevoli portando, forse, ad una più profonda comprensione del meccanismo della conoscenza e al controllo della crescita cellulare. (literal)
Tematiche di ricerca
  • In linea con le indicazioni (Highest Priority Research Needs- Aprile 2006) dell'EMF-NET, progetto EU del 6th Programma, per la valutazione di un possibile rischio occupazionale/ambientale da esposizione, per la mancanza di dati in letteratura si ritiene necessaria una ricerca sulle interazioni dei sistemi biologici con i campi EM a frequenze intermedie e di laser (300 Hz-3THz), alle quali l'eventualità che l'uomo sia esposto è in crescente aumento. In questo ambito l'esperienza maturata nel corso degli anni ci permette di proporci come modulo in cui convergono le risorse umane e le competenze necessarie per produrre dati preliminari sugli effetti indotti su modelli di membrana cellulare e sistemi cellulari, dove è possibile identificare il sito microscopico dell'interazione, e stabilire il parametro fisico primariamente influenzato (analisi di dinamica molecolare) per sviluppare un modello di meccanismo. La sfida di questa ricerca sta soprattutto nell'ottenimento di un valido modello biologico che pur nella sua semplicità mantenga le caratteristiche strutturali (eterogenicità di lipidi) e funzionali (controllo flussi ionici) tipiche della membrana cellulare. (literal)
Competenze
  • L'attività di questo modulo richiede le seguenti competenze: Tecniche di biochimica - purificazione di proteine di membrana - realizzazione di ricostituzione di proteine in doppi strati lipidici - realizzazione di modelli di membrana, liposomi - tecniche di microchirurgia per \"giant liposome\" Tecniche di -spettrofotometria -fluorimetria -microscopia -light scattering Tecniche di citofluorimetria Progettazione e sviluppo di espositori a campi EM specifici -per frequenze generate da laser (234 GHz-300 GHz) adattati al microscopio - per frequenze generate da sorgenti pulsate ai laser adattati allo spettrofotometro Gestione di programmi software Simulazioni di biomembrane in timescale di circa 10 ns (metodo corse-grained) Simulazioni di dinamica molecolare (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Una delle principali ricadute degli studi volti ad analizzare l'effetto della EMR sulla membrana è la possibilità di utilizzare questo protocollo sperimentale per la formazione di campi dipolari sulle membrane che possano agire come centri di attrazione e target per proteine e farmaci. Sviluppo di nuovi prodotti: strutture di membrana per produzione di metamateriali in elettromagnetismo (ottica e fotonica) con permittività e permeabilità di segno positivo. (literal)
Tecnologie
  • La progettazione e la realizzazione di modelli di membrana cellulare a diversi livelli di complessità, prevista in questo modulo, ha lo scopo di ottenere un valido modello biologico che pur nella sua semplicità mantenga le caratteristiche strutturali (eterogenicità di lipidi) e funzionali (controllo flussi ionici) tipiche della membrana cellulare. In questo modo si possono studiare a livello molecolare bersagli specifici, tipo componenti di membrana quali lipidi e/o proteine, senza presenza di sistemi interferenti normalmente presenti ad esempio in sistemi cellulari in vitro. Questo permette di rilevare alterazioni indotte da agenti fisici esterni su un singolo bersaglio molecolare. Inoltre le tecnologie sviluppate negli ultimi anni permettono di rilevare su questi modelli alterazioni per esempio a carico del voltaggio di membrana, valutati anche successivamente su sistemi cellulari. (literal)
Obiettivi
  • - Sviluppo di un nuovo modello di membrana lipidica di dimensioni controllate tra ~ 20-150 microm in diametro per microscopio ai THz. - Valutare sistematicamente alterazioni sulla struttura e fluidità della membrana lipidica indotte da irraggiamento tra 100 GHz e 3THz, diverse lunghezze e velocità dell'impulso di ripetizione, diverse intensità di potenza media e di campo elettrico. - Valutare sistematicamente gli effetti specifici sull'apertura e chiusura del canale proteico connexina32 propriamente ricostituito in liposomi. Tali alterazioni verranno analizzate in tempo reale durante l'irraggiamento allo spettrofotometro mediante cinetiche enzimatiche. -Progettare e sviluppare nuovi sistemi di esposizione ai THz per campioni biologici, per l'irraggiamento tra i 130 GHz e i 200 GHz; per \" near field microscope\" per un sistema ottico a banda larga (100 GHz -3THz) che avrà una risoluzione spaziale di 5 mm. - Sviluppare un meccanismo di interazione biofisico per spiegare gli effetti osservati a livello molecolare e cellulare. -Pubblicazioni scientifiche -Brevetti -Trasferimento di competenze mediante formazione di personale, attività didattica e organizzazione di corsi (literal)
Stato dell'arte
  • La scelta di un approccio modellistico che caratterizza l'attività di questo modulo si è rivelato, negli ultimi anni, uno strumento importante sia nello studio degli effetti specifici indotti dai campi EM tipo risonanze macromolecolari, alterazioni di potenziali di membrana, danni al DNA e riattivazione di cellule quiescenti, sia nel ridurre le difficoltà incontrate da un punto di vista sperimentale per la intrinseca complessità dei sistemi coinvolti (dimensioni atomica, molecolari, entità fisiche troppo piccole per essere rivelate, instabilità dei campioni). La crescente applicazione di sorgenti laser pulsate (alta frequenza modulata a bassa frequenza), tipo i sistemi THz imaging oggi commercialmente disponibili per uso diagnostico e lo sviluppo di sensori non invasivi per rilevare mutazioni sul DNA, necessita di indagini preliminari sugli effetti che tali radiazioni possono indurre sui sistemi biologici. Come conseguenza, questa ricerca si propone di concentrare l'attenzione sull'azione della EMR a frequenze intermedie e THz su diversi modelli di membrana e cellulari così che i processi fisici, biochimici e fisiologici possano essere isolati ed analizzati in termini molecolari. (literal)
Tecniche di indagine
  • L'attività di questo modulo richiede le seguenti competenze: Tecniche di biochimica - purificazione di proteine di membrana - realizzazione di ricostituzione di proteine in doppi strati lipidici - realizzazione di modelli di membrana, liposomi - tecniche di microchirurgia per \"giant liposome\" Tecniche di -spettrofotometria -fluorimetria -microscopia -light scattering Tecniche di citofluorimetria Progettazione e sviluppo di espositori a campi EM specifici -per frequenze generate da laser (234 GHz-300 GHz) adattati al microscopio - per frequenze generate da sorgenti pulsate ai laser adattati allo spettrofotometro Gestione di programmi software Simulazioni di biomembrane in timescale di circa 10 ns (metodo corse-grained) Simulazioni di dinamica molecolare (literal)
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