Descrizione del modulo "Studio dell'interazione dei campi elettromagnetici con modelli di membrana cellulare (ME.P06.031.004)"

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  • Descrizione del modulo "Studio dell'interazione dei campi elettromagnetici con modelli di membrana cellulare (ME.P06.031.004)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Per risposta bisogni individuali e collettivi: Ampliare le conoscenze dell'interazione dei campi elettromagnetici con i sistemi biologici, specificatamente nell'intervallo di frequenze millimetriche e sub-millimetriche. E' stato ipotizzato che le eccitazioni coerenti, guidate dai processi metabolici, esistono a queste frequenze. 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 dell'International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (2009) e recentemente dell' International Agency for Research on Cancer (2012) per la valutazione di un possibile rischio per la salute da esposizione ai campi EM e per la mancanza di dati in letteratura si ritiene necessaria una ricerca sulle interazioni dei sistemi biologici con frequenze millimetriche e sub-mm, 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 sugli effetti indotti su modelli di membrana e sistemi cellulari, dove è possibile identificare il sito microscopico dell'interazione, stabilire il parametro fisico primariamente influenzato (analisi di dinamica molecolare) e quindi 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 competenze in: Tecniche di biochimica - purificazione di proteine di membrana - ricostituzione di proteine in doppi strati lipidici - realizzazione di modelli di membrana (es.giant vesicles,liposomi) - tecniche di microchirurgia per manipolazione \"giant vesicles\" Tecniche di -spettrofotometria -fluorimetria -microscopia -light scattering -calorimetria differenziale Progettazione e sviluppo di espositori EMR specifici -per frequenze(100 GHz- 700 GHz) da adattare su microscopio - per frequenze generate da sorgenti pulsate ai laser su spettrofotometro Gestione di programmi software Simulazioni di biomembrane in timescale di circa 10 ns (metodo corse-grained) Simulazioni di dinamica molecolare Strumentazione -Liposomat -Fast-AVESTIN per estrusione -Cella per elettroformazione giant liposome -Generatore funzioni/Arbitrarie a frequenza da 1mHz a 25 MHz -Spettrofotometro doppia lunghezza d'onda -microcentrifuga da banco -omogenizzatore Apparecchiature condivise: SNOM, Centrifughe analitiche, analizzatori di immagini, cappa chimica, microscopio a fluorescenza, cappa a flusso laminare, sistema di stoccaggio in azoto liquido, etc. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • 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. Applicazione di tecniche fisiche per il controllo di rilascio di farmaci o altri approcci terapeutici 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
  • 1)Valutare sistematicamente alterazioni sulla struttura e fluidità della membrana lipidica indotte da irraggiamento a frequenze millimetriche e sub-millimteriche,diverse lunghezze e velocità dell'impulso di ripetizione,diverse intensità di potenza media e di campo elettrico 2)Valutare sistematicamente alterazioni sulla struttura e fluidità della membrana lipidica indotte da campi elettrici pulsati(10 ns pulses) 3)Valutare sistematicamente gli effetti specifici sulla morfologia e funzionalità di giant vesicles~ 20-150 microm in tempo reale durante l'irraggiamento al microscopio ottico con fastcamera 4)Valutare sistematicamente gli effetti specifici sulla ossidazione di fosfolipidi in giant vesicles~ 20-150 microm in tempo reale durante l'elettroporazione attraverso analisi spettrofotometriche 5)Progettare e sviluppare nuovi sistemi di esposizione ai THz per campioni biologici,per l'irraggiamento tra i 100 GHz e 700 GHz 6)Sviluppare un meccanismo di interazione biofisico per spiegare gli effetti osservati a livello molecolare e cellulare 7)Pubblicazioni scientifiche 8)Brevetti 9)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 imaging ai THz 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 dei campi EM a frequenze tra 30GHz e 3THz su diversi modelli sia di membrana così che i processi fisici, biochimici e fisiologici possano essere isolati ed analizzati in termini molecolari. (literal)
Tecniche di indagine
  • Tecniche di isolamento e purificazione proteine di membrana -Cromatografia -Ultracentrifugazione -Elettroforesi -Immunoelettroforesi Tecniche di preparazione di liposomi -Estrusioni -Dialisi controllata del detergente -Elettroformazione Tecniche di citologia -colture cellulari -citogenetica classica e molecolare Tecniche di spettrofotometria -assorbimento -cinetiche -light scattering Tecniche di microscopia connesse con la identificazione di alterazioni morfologiche e funzionali. (literal)
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