Descrizione della commessa "Sviluppo e applicazione di modelli multiscala per studiare processi e sistemi di interesse per la biochimica e la chimica sostenibile. (PM.P07.005)"

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  • Descrizione della commessa "Sviluppo e applicazione di modelli multiscala per studiare processi e sistemi di interesse per la biochimica e la chimica sostenibile. (PM.P07.005)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • La comprensione dei meccanismi dei processi chimici che si svolgono nelle macromolecole biologiche (acidi nucleici, proteine) appare indispensabile per lo sviluppo di metodi di intervento in caso di patologie e di protezione dall'azione di possibili agenti esterni (radiazioni, agenti patogeni) Lo studio delle proprieta' dinamiche delle macromolecole biologiche possono rivelarsi utili per il design di nuovi materiali biocompatibili per lo sviluppo sostenibile e di nuovi processi con limitato impatto ambientale. (literal)
Strumentazione
  • NA-SPETTROMETRO NMR OPERANTE A 600 MHZ, CON CRYOPROBE POZ-Spettrometro NMR NA-Spettrometro EPR PI-Spettrometro EPR PI/NA/POZ/BO: Clusters di computer (literal)
Tematiche di ricerca
  • Le ricerche svolte all'interno della commessa si muovono nell'ambito della modellistica dei sistemi di interesse biologico e ambientale e seguiranno due direzioni principali. Da un lato ogni modulo studiera' alcuni processi/sistemi di rilevante interesse scentifico e tecnologico: fotochimica e fotofisica degli acidi nucleici, relazione struttura/proprieta' in polipeptidi, proprieta' magnetiche di radicali di interesse biologico, composti organici elettroluminescenti. Ci si concentera' in particolare allo studio di processi spettroscopici, cercando di integrare i risultati sperimentali con quelli ottenuti con diversi metodi teorico/computazionali: dinamica quantistica, calcoli quantomeccanici 'first principle', simulazioni basate su modelli di fisica classica, metodi bioinformatici. Dall'altro le competenze modellistiche di ogni modulo saranno messe in rete per elaborare dei modelli multiscala 'generali' per lo studio dei sistemi biologici, per contribuire alla soluzione di alcune questioni chiave per la modellistica computazionale dei sistemi complessi, e per contribuire allo sviluppo e all'affinamento dei diversi metodi (teorici o sperimentali) utilizzati. (literal)
Competenze
  • Spettroscopie magnetiche e ottiche: EPR,ENDOR,NMR, UV,VIS,IR,Raman Metodi di Chimica Computazionale per lo studio di stati elettronici anche eccitati di molecole sia isolate che in fase condensata. Metodi di propagazione di pacchetti d'onda su superfici di energia potenziale accoppiate per lo studio della dinamica di processi non adiabatici. Metodi approssimati per lo studio del moto di pacchetti d'onda per sistemi con molti gradi di liberta' (surface hopping,MCTDH,...). Calcolo di proprieta' ottiche e magnetiche sia statiche che dipendenti dal tempo anche in sistemi con grande accoppiamento fra moto elettronico e vibrazioni. Uso di Hamiltoniani modello per lo studio della dinamica elettronica e nucleare in sistemi estesi. Uso di simulazioni di dinamica molecolare e di metodi bioinformatici per lo studio delle macromolecole biologiche. Modellizzazione di processi reattivi complessi in sistemi di interesse biologico e nanotecnologico in termini di stadi molecolari elementari e loro interpretazione sulla base di effetti chimico-fisici fondamentali. Metodologie per la determinazione strutturale da dati sperimentali (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • I risultati ottenuti e le tecniche di modelling sviluppate potranno essere utili per il design di nuovi materiali biocompatibili con specifiche proprieta' di trasporto di carica ed energia, e nell'ambito della ricerca biotecnologica o di chimica ambientale. I metodi teorici potranno essere integrati in protocolli computazionali di utilizzo generale ed inseriti in pacchetti software commerciali e/o free source. (literal)
Tecnologie
  • Programmi di Chimica Computazionale di ultima generazione per lo studio di stati elettronici anche in fase condensate Programmi per lo studio della dinamica di pacchetti d'onda su superfici accoppiate (surface hopping, MCTDH) Programmi di dinamica molecolare classica. (literal)
Obiettivi
  • 1) Approfondimento di questioni fondamentali per la costruzione di modelli multiscala per la modellistica di processi biochimici e di interesse ambientale. 1a) come mettere in comunicazione metodi e modelli con diverso grado di accuratezza e che si applicano ad ambiti spazio/temporali diversi? 1b) come enucleare gli effetti chimico fisici fondamentali sui quali fondare il modello? 1c) Esistono criteri generali per la partizione dei sistemi in esame in shells differenti da trattare con diversi gradi di approssimazione? 1d) E' possibile elaborare protocolli di utilizzo generale per lo studio di processi biochimici o di interesse ambientale e/o per la validazione dei relativi dati sperimentali e all'interpretazione dei risultati sperimentali in termini di effetti chimico-fisici fondamentali 2) Sviluppo e affinamento dei metodi teorici/computazionali utilizzati, anche attraverso un continuo confronto con i risultati di esperimenti progettati ad hoc. 3) Applicazione dei metodi ottenuti allo studio di alcuni processi/sistemi di rilevante interesse biologico o per la chimica sostenibile, con particolare riferimento allo studio dei processi spettroscopici (literal)
Stato dell'arte
  • Le spettroscopie ottiche e magnetiche sono importanti strumenti per lo studio dei processi biochimici e di interesse per la chimica ambientale. Il comportamento spettroscopico di ogni subunita' è infatti fortemente dipendente, oltre che dalle loro caratteristiche intrinseche, dall'intorno chimico e dalle architetture supramolecolari in cui sono coinvolti, dalle interazioni specifiche che vi stabiliscono, dalla loro interazione con il solvente, ed infine dai processi cui prendono parte, come trasferimenti di carica o di energia. L'interpretazione degli spettri sperimentali in sistemi tanto complessi non è pero' immediata e necessita di modelli di riferimento teorici, e possibilmente anche di vere e proprie simulazioni. L'approccio teorico che appare più realistico e più promettente è quello multiscala, in il sistema e/o il fenomeno in esame sono scomposti in una gerarchia di scale dimensionali e di tempi caratteristici, e i vari domini spaziali e temporali sono poi studiati con metodi appropriati e diversificati, ma anche secondo protocolli integrati, in cui i risultati ottenuti su un determinata scala sono poi utilizzati come dati per la modellizzazione della scala superiore. (literal)
Tecniche di indagine
  • Confronto sistematico fra i dati sperimentali relativi al comportamento spettroscopico dei sistemi studiati (determinati all'interno della commessa o disponibili in letteratura) e quelli ottenuti dal calcolo. Confronto sistematico tra i risultati ottenuti con diversi metodi teorici/computazionali e loro integrazione in protocolli di utilizzo generale. Confronto sistematico tra le predizioni dei modelli teorici e i risultati sperimentali. (literal)
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