Descrizione del modulo "Applicazione di tecniche cristallografiche e modellistica computazionale per studi strutturali di biomolecole (PM.P01.023.005)"

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  • Descrizione del modulo "Applicazione di tecniche cristallografiche e modellistica computazionale per studi strutturali di biomolecole (PM.P01.023.005)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Lo studio strutturale di proteine è di grande interesse nell'ambito della Medicina e delle tecnologie convergenti. In questo contesto, la Cristallografia permette di conoscere la loro architettura e forma, mentre l'utilizzo di metodi di modellistica computazionale consente di dedurre la loro funzione all'interno degli organismi viventi. In generale, la determinazione strutturale, e dunque le metodologie ad essa connesse, svolgono un ruolo primario nell'ambito delle biotecnologie, della nanoingegneria chimica e della Chimica sostenibile. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Il modulo si propone di studiare la struttura di proteine usando sia tecniche sperimentali che computazionali. Le informazioni sperimentali saranno fornite dalla cristallografia di proteine. Esse saranno ottenute sottoponendo i campioni di proteina a processi di cristallizzazione, presa dati di diffrazione a RX e analisi dati con programmi di calcolo cristallografico. Le tecniche computazionali saranno applicate alle strutture ottenute per studiare la loro funzione, facendole evolvere nel tempo modellando opportunamente le loro interazioni biochimiche. Tale studio combinato sarà applicato a sistemi di interesse sia nel campo della salute che in quello dell'ambiente. Altre tematiche riguardano: -lo studio strutturale di ligandi di proteine, acquisito mediante tecniche di diffrazione di RX da polveri cristalline e propedeutico allo studio dell'interazione dei ligandi con le loro proteine target -la determinazione di caratteristiche strutturali presenti nella matrice cristallina di foglie, utili per ottenere un'impronta digitale della foglia stessa -lo sviluppo di ligandi selettivi per l'integrina avb3 nella diagnosi del glioblastoma -la progettazione, di nuovi PNA e coniugati di PNA (literal)
Competenze
  • Il gruppo di ricerca è caratterizzato da una spiccata natura multidisciplinare, in quanto comprende competenze di tipo fisico, matematico, informatico, e chimico. Questa caratteristica è un requisito essenziale per svolgere ricerche metodologiche in cristallografia, in quanto essa stessa si colloca al confine tra le suddette discipline. Competenze di tipo biologico sono possedute dal personale associato: Prof. Natile del Dipartimento Farmaco-Chimico dell'Unitersità di Bari e Benny Danilo Belviso, dottorando dello stesso Dipartimento. Competenze nel settore della cristallizzazione di proteine sono state acquisite da Benny Danilo Belviso grazie a corsi seguiti e ad uno stage presso il Centro di Cristallografia Strutturale dell'Università di Firenze. Le competenze nel campo della modellistica computazionale sono state recentemente acquisite da Rocco Caliandro grazie ad un periodo di stage presso la German Research School for Simulation Sciences, finanziato dall'European Science Foundation e saranno trasferite all'intero gruppo di lavoro. Tutti gli elementi del gruppo hanno una consolidata esperienza nell'utilizzo di programmi di risoluzione strutturale di macromolecole biologiche. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Le metodologie cristallografiche sono un importante strumento scientifico e tecnologico per l'avanzamento delle scienze strutturali. I settori farmaceutico, biotecnologico e proteomico sono tra quelli maggiormente legati allo sviluppo di tali metodologie. Nello specifico, la determinazione strutturali dei composti proteina-ligando oggetto di studio permetterà di conoscere il meccanismo biochimico di interazione tra la proteina e il farmaco (nel caso di studi riguardanti l'Ubiquitina o le metalloproteine di matrice) o dell'azione catalizzante (nel caso di studio riguardanti il citocromo C e le perossidasi). Lo studio dei markers luminescenti potrà essere impiegato per produrre sistemi diagnostici più efficienti, in quanto potrà fornire fluorofori in grado di emettere luce con maggiore efficienza e selettività. L'acquisizione di spettri di diffrazione di foglie potrà essere utilizzato, insieme ad altri tipi di analisi, per produrre un'impronta digitale del prodotto, sfruttabile a livello commerciale come certificazione di qualità. (literal)
Tecnologie
  • La risoluzione strutturale si avvarrà delle tecniche di tipo ab initio o di quelle che usano l'informazione supplementare, quali il Molecular Replacement, la diffusione anomala singola (SAD) o multipla (MAD) o la sostituzione isomorfa singola (SIR) o multipla (MIR). La modellistica computazionale sarà condotta con tecniche di Dinamica Molecolare, utilizzando campi di forza ben consolidati, quali AMBER e CHARMM, programmi di simulazione quali GROMACS e NAMD, e il programma di visualizzazione e analisi dati VMD: Per quanto riguarda il modeling comparativo, verranno utilizzati strumenti bioinformatica disponibili sul web. (literal)
Obiettivi
  • Il modulo si propone di applicare tecniche cristallografiche a proteine di struttura incognita o a composti proteina-ligando. Saranno effettuati studi riguardanti: -insorgenza di patologie neurodegenerative, attraverso analisi strutturale di complessi di ubiquitina con ioni metallici e simulazione delle instabilità introdotte da mutazioni nella proteina prione -target per la terapia anti-tumorale, attraverso analisi strutturale di composti di metalloproteasi di matrice con farmaci antitumorali a base di Platino -bioremediation, attraverso analisi strutturale di complessi di citocromo con cromato e di enzimi estratti da foglie di carciofo -caratterizzazione di molecole di interesse biologico, quali markers fluorescenti -studio di proprietà strutturali della matrice cristallina di foglie. Lo studio cristallografico sarà completato con un'analisi di tipo computazionale finalizzata ad esplorare la funzionalità delle strutture determinate, eseguita mediante tecniche di dinamica molecolare o di modelling comparativo. Inoltre saranno sviluppati ligandi selettivi per l'integrina ±v²3 nella diagnosi del glioblastoma e nuovi PNA come tool per interferire nella biosintesi/processing di miRNA (literal)
Stato dell'arte
  • La diffrazione di raggi X è attualmente lo strumento più usato per determinare la struttura di macromolecole biologiche. Un esperimento di diffrazione di raggi X comprende i passaggi di cristallizzazione, presa dati con fasci intensi di raggi X, e elaborazione dei dati. Quest'ultimo passaggio è reso necessario dal fatto che la misura delle intensità di diffrazione non è in grado di fornire direttamente l'immagine dell'oggetto, in quanto solo le ampiezze dei fattori di struttura sono misurate, mentre le loro fasi rimangono indeterminate. La possibilità di derivare la fase dalle ampiezze è fornita dai metodi cristallografici, oggi implementati in programmi di calcolo. La cristallografia di proteine fornisce tuttavia un'informazione strutturale di tipo statico, in quanto riguarda la configurazione media della proteina all'interno del cristallo. Uno studio di tipo funzionale può essere effettuato utilizzando tecniche di modellistica computazionale applicate alla struttura determinata. Esse permettono di generare configurazioni diverse da quella sperimentale, tutte compatibili con i campi di forze a cui sono soggetti gli atomi della proteina immersa in una soluzione acquosa. (literal)
Tecniche di indagine
  • La cristallizzazione di proteine si avvarrà di tecniche di diffusione di vapore di tipo sitting drop e hanging drop. L'acquisizione di dati cristallografici su proteine si avvarrà di tecniche quali la diffrattometria a raggi X su cristallo singolo, con o senza contributi di diffusione anomala. Per la caratterizzazione dei markers molecolari e delle foglie saranno condotti esperimenti di diffrazione su polveri cristalline, utilizzando i diffrattometri per polveri di dotazione dell'Istituto di Cristallografia. (literal)
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