Esempi di applicazione

Materiali innovativi: alcuni esempi di applicazione

Ricerche tramite caratterizzazione chimica, analisi strutturale e Imaging per osservare i nuovi materiali (come le vele delle barche da competizione).

Ricerche tramite le tecniche di Imaging

Struttura di schiume polimeriche. Osservazione della microstruttura delle schiume utilizzate nell’industria automobilistica, mentre queste venivano sottoposte a vari processi di deformazione, ottenendo correlazioni tra la struttura, la resistenza del materiale e le sue proprietà isolanti
Tessuti per Vele. Impiego della microradiografia a contrasto di fase per l’osservazione delle strutture nanometriche, non visibili con tecniche tradizionali, dei nuovi materiali con i quali si realizzano le vele delle barche da competizione
Phytoremediation. Impiego della tecnica di fluorescenza per mappare la presenza di metalli pesanti nelle piante e verificare la loro capacità di tollerarli, assorbirli, metabolizzarli e renderli meno tossici per la stabilizzazione dell’ambiente e/o la rimozione di inquinanti

Ricerche tramite le tecniche di analisi strutturale

Bioenzimi. Impiego della tecnica di diffrazione a raggi X per l’acquisizione di precise informazioni sulla struttura tridimensionale di un enzima di origine batterica che, in determinate condizioni, può essere utilizzato in applicazioni biotecnologiche
Molecole anti-Alzheimer. Impiego della tecnica di diffrazione a raggi X per acquisire informazioni dettagliate sulla struttura dell’enzima Acetilcolinesterasi (AChE) – un target della malattia di Alzheimer coinvolto nella trasmissione del segnale nervoso – e sulla sua interazione con uno dei farmaci in grado di controllare l’attività dell’AChE

Ricerche tramite le tecniche di caratterizzazione chimica

Biocatalisi. Sviluppo di nuovi processi biocatalitici con catalizzatori enzimatici e valutazione della loro efficienza all’interno dei polimeri mediante l’accoppiamento della spettroscopia infrarossa FT (Fourier Trasformed) con la luce di sincrotrone
Clean steel. Negli acciai tradizionali, le microinclusioni non metalliche sono prodotte durante i processi di lavorazione a caldo e possono generare microfratture destinate a causare la destabilizzazione di intere strutture. È possibile individuare e caratterizzare chimicamente queste piccolissime impurità e le fasi della lavorazione maggiormente responsabili della sua “contaminazione”

Biologia Strutturale: esempi di applicazione

I campi di applicazione della biologia strutturale vanno dall’analisi della struttura tridimensionale delle macromolecole biologiche allo studio delle loro interazioni con metaboliti e farmaci. Quest’ultimo aspetto è particolarmente rilevante per il drug design, basato sulla conoscenza della struttura tridimensionale della proteina bersaglio. La conoscenza dettagliata della struttura di una macromolecola biologica permette di descriverne il meccanismo di azione, e di sfruttare questa informazione a scopi terapeutici, per progettare inibitori selettivi che possano essere usati come farmaci, o biotecnologici, ad esempio per modificare il sito attivo di un enzima per cambiare la sua specificità ed usarlo a fini industriali.

La possibilità di usare in modo integrato le diverse tecniche disponibili nella Piattaforma permetterà la comprensione dei meccanismi molecolari della cellula in indagini di rilevante interesse per lo sviluppo farmaceutico e biotecnologico nei seguenti ambiti:

Studio di macromolecole biologiche potenziale bersaglio di farmaci “intelligenti”, cioè capaci di modulare e correggere funzionalità alterate in patologie complesse come cancro, neurodegenerazione e infiammazione, la cui conoscenza permette di disegnare chimicamente nuove molecole, più attive, più selettive e meno tossiche.
Drug delivery. Studio dei meccanismi di trasporto transmembrana di nanoparticelle impiegabili come vettori di farmaci (es. esosomi).
Nanotossicologia. La nanotossicologia è lo studio delle interazioni dei tessuti e delle singole cellule con nanoparticelle e nanofibre. È noto che alcune nanofibre, quali quelle presenti negli amianti, penetrano i tessuti e sono a lungo termine cancerogeni. La Piattaforma è la struttura ideale dove svolgere analisi della penetrazione di nanoparticelle all’interno di tessuti e di cellule per valutarne l’effettiva tossicità, o per l’individuazione di particelle rare all’interno di tessuti per la valutazione di contaminazioni in processi produttivi o per applicazioni di medicina legale.
Sviluppo di farmaci antitumorali. La Piattaforma è idonea a caratterizzare meccanicamente, morfologicamente e microscopicamente gli sferoidi tumorali (modello di metastasi tumorale che mima la crescita delle metastasi all’interno dei tessuti ospitanti) per studiare l’effetto di nuovi chemioterapici.

Genomica ed Epigenomica: esempi di applicazione

La Piattaforma potrà diventare un centro di riferimento a cui ricercatori e imprese potranno rivolgersi per analisi di sequenziamento, al fine di mettere a punto:

Test genetici. Utilizzando le piattaforme di sequenziamento di nuova generazione, oggi è possibile analizzare l’intero codice genetico di genomi individuali, per contribuire alla crescita della conoscenza delle patologie umane e dare un forte impulso allo sviluppo di strumenti diagnostici, prognostici e predittivi di nuova generazione. È inoltre possibile mettere a punto test genetici basati sull’analisi in un singolo test di uno o più geni (porzioni codificanti) umani, i quali possono avere finalità diverse: test diagnostici e presintomatici tradizionalmente usati per identificare malattie rare; test predittivi per identificare varianti genomiche associate a una maggiore o minore vulnerabilità alle patologie comuni (ad esempio, patologie cardiovascolari); test di farmacogenetica per valutare la risposta individuale al trattamento farmacologico; test per individuare i portatori sani di condizioni geneticamente determinate.
Studio dei microrganismi per indagare le modalità con cui influenzano le malattie umane. Tramite il sequenziamento di migliaia di organismi in parallelo (metagenomica), l’NGS ha rivoluzionato la microbiologia consentendo l’analisi simultanea di intere comunità microbiche e l’identificazione di ceppi che potrebbero non essere identificabili utilizzando altri metodi. In prospettiva, il test di sequenziamento del microbiota potrà essere implementato come parte della normale pratica clinica e diagnostica per alcune malattie o aumentata suscettibilità a determinati disturbi. Inoltre il sequenziamento di genomi batterici consente di analizzare i geni coinvolti nella resistenza agli antibiotici, permettendo lo sviluppo e l’ottimizzazione di nuove opzioni terapeutiche per le malattie infettive.
Analisi su piante, animali, invertebrati, microrganismi, al fine di approfondire la conoscenza di genomi di organismi meno studiati rispetto all’uomo o non ancora caratterizzati, soprattutto riguardo a organismi di interesse zootecnico o agronomico. La comprensione della struttura, funzione e diversità genetica dei genomi delle piante coltivate o degli animali da allevamento permette l’ottimizzazione della loro efficienza di selezione e della produttività, qualità e sicurezza dei prodotti. Per le specie vegetali le conoscenze riguardo i caratteri agronomici derivate dall’approccio genomico (efficienza nell’uso dell’acqua, dell’azoto, del fosforo, resistenze a stress biotici e ai cambiamenti ambientali) consentono il loro adattamento alle mutate esigenze del consumatore (alimenti più sicuri, di maggiore valore qualitativo e nutrizionale) e della società (piante come fonti energetiche e di altri prodotti non-food). Le analisi genomiche in zootecnia forniscono informazioni per la selezione di animali di allevamento con accrescimento rapido e resistenza a malattie e per le indagini delle parentele genetiche tra specie e razze animali.
Analisi della tracciabilità della filiera agro-alimentare e monitoraggio ambientale. Mediante l’approccio metagenomico applicato su DNA estratto da cibo e da campioni ambientali di varia origine (es. suolo, acque reflue, mare) è infatti possibile rilevare eventuali contaminazioni in materie prime, alimenti e matrici ambientali. La tracciabilità genetica dei prodotti agroalimentari consente di verificare l’origine delle materie prime e dei prodotti derivati a destinazione alimentare, vigilarne la produzione e valorizzarne la qualità, al fine di tutelare il consumatore nei confronti di eventuali frodi. D’altra parte, il monitoraggio ambientale è essenziale per rilevare contaminazioni e garantire la biodiversità ambientale.
Studio dei meccanismi epigenetici e dell’interazione genotipo-ambiente. L’indagine delle modalità di regolazione epigenetica dei geni, mediante analisi delle alterazioni chimiche del DNA che non ne intaccano la sequenza o delle modificazioni delle proteine che al DNA sono associate, ha delle interessanti applicazioni sia in campo biomedico che agroalimentare. Le alterazioni del programma epigenetico risultano infatti essere direttamente implicate in numerose patologie come diabete, malattie degenerative neuromuscolari, infezioni virali e cancro, nonché nei meccanismi di regolazione dei meccanismi legati ai ritmi circadiani e di adattamento all’ambiente. Ciò ha implicazioni profonde per la comprensione della biodiversità di ciascun individuo (e. la diversa espressione di fenotipi, la risposta individuale a determinati farmaci) anche di ordine ecologico laddove profili epigenetici risultino specifici di particolari condizioni di crescita, sviluppo e adattamento degli esseri viventi. Inoltre, grazie all’utilizzo di una piattaforma NGS ad alta processività sarebbe possibile esplorare i meccanismi che portano alla creazione di nuova variabilità epigenetica nelle piante per implementare dei programmi di miglioramento genetico volti ad aumentare la resistenza a stress ambientali che non necessitano di un intervento diretto sul genoma dell’organismo.