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Biofisica: dalla biologia alla fisica e ritorno

Tecniche e teorie della fisica per la biologia: dalle cellule alle singole molecole

La Biofisica utilizza tecniche fisiche e modelli te- ad occuparci della interazione dei peptidi antimi- costituito da un elastomero, di applicare segnali di
orici tipici della fisica per studiare sistemi di rile- crobici con membrane biologiche utilizzando di- deformazione periodici, riproducendo quanto suc-
vanza biologica. Allo stesso tempo, i sistemi bio- verse tecniche biofisiche”. I peptidi antimicrobici cede in molti organi quali il cuore, i polmoni o i
logici costituiscono una fonte ineguagliabile per lo sono piccole molecole proteiche del sistema immu- vasi sanguigni. I fenomeni alla base di tali compor-
sviluppo di nuovi approcci teorici basati sulla ma- nitario di molte specie e considerati validi candidati tamenti hanno a che fare con specifiche proteine
tematica e la fisica. Ad esempio, la biologia, con il a sostituire gli attuali antibiotici e soprattutto meno all’interno della cellula che vengono sottoposte a
lungo lavoro dell’Evoluzione, ha prodotto sistemi suscettibili a provocare fenomeni di resistenza. forze. Al Dipartimento FIM si studia anche come si
con proprietà meccaniche molto particolari e uni- Comprendere il loro meccanismo d’azione come comportano singole molecole proteiche sottoposte
che. I metodi sviluppati dalla fisica per lo studio potenziali antibiotici potrebbe essere d’aiuto per lo a forze meccaniche che tendono a modificarne la
delle proprietà meccaniche dei materiali possono sviluppo di nuove molecole derivate da quelle natu- struttura. Il professor Ciro Cecconi utilizza la tec-
essere utilizzati per analizzare i sistemi biologici, rali con ancora maggiore azione antibiotica e capaci nica delle “pinze ottiche” per manipolare singole
ma questi hanno delle peculiarità, tra le quali una di evitare maggiormente il fenomeno di resistenza. proteine e caratterizzare il loro comportamento. La
risposta attiva alle deformazioni, che richiedono lo Per quanto riguarda gli aspetti di meccanobiolo- tecnica delle pinze ottiche permette di intrappolare
sviluppo di nuove teorie fisiche. Inoltre, si è an- gia, al Dipartimento FIM di Unimore si studiano con un fascio laser focalizzato oggetti molto pic-
data sempre più affermando negli ultimi anni, la le proprietà meccaniche delle cellule e delle ma- coli e di spostarli con grande precisione. L’impatto
convinzione che tali proprietà meccaniche siano trici sulle quali le cellule vengono fatte crescere. È di questa tecnica in biologia negli ultimi trent’anni
fondamentali per la funzione svolta dalle strutture esperienza comune che una alterazione dello sta- è stato così importante che il suo inventore, il pro-
biologiche. La branca della biologia che si occupa to meccanico di un tessuto corrisponda ad un suo fessor Arthur Ashkin, è stato insignito del premio
di aspetti meccanici legati ai sistemi biologici è la stato patologico. Le cellule possono reagire alle Nobel per la fisica nel 2018. Attraverso esperimen-
meccanobiologia e rappresenta un settore d’inda- diverse proprietà meccaniche del loro ambiente ti di manipolazione meccanica il professor Ciro
gine scientifica altamente interdisciplinare. circostante e avviare processi che influiscono sul Cecconi studia anche i meccanismi molecolari
In Unimore è presente un gruppo di ricerca, stret- loro comportamento. Ciò ha rilevanza per le appli- attraverso i quali singole molecole proteiche si ri-
tamente connesso con l’attività del Centro di ricer- cazioni di medicina rigenerativa, in cui si cerca di piegano a volte in strutture tridimensionali corrette
ca S3 dell’Istituto Nanoscienze del CNR, che si ottimizzare le condizioni di crescita delle cellule e funzionali e a volte in strutture aberranti, che ol-
occupa di studiare sistemi di interesse biologico in-vitro prima che esse vengano utilizzate per un tre ad essere biologicamente inattive sono spesso
che vanno dalla singola cellula alla singola mo- eventuale trapianto. Al tempo stesso, viene studia- tossiche per le cellule che le ospitano. Questi studi
lecola. “Insieme alla tradizionale attività del nostro to come le cellule reagiscono a stimoli esterni sia hanno una rilevanza biomedica elevata perché un
laboratorio riguardante lo studio dei principi fisici di tipo elettromagnetico che di tipo meccanico. Per gran numero di malattie neurodegenerative, quali
che determinano l’organizzazione e la funzione di quest’ultima analisi ci si avvale di strumenti svi- il morbo di Parkinson e la malattia di Alzheimer,
una membrana biologica – ci spiega il Prof. Andrea luppati direttamente in laboratorio e che consen- sono causate proprio da un ripiegamento non cor-
Alessandrini – abbiamo recentemente cominciato tono, facendo crescere le cellule su un substrato retto di certe proteine presenti nei nostri neuroni.

Bead Laser
DNA DNA

Pipette Proteina

Schema di un setup “pinze ottiche”. Una singola proteina è connessa a due palline di plastica micrometriche per mezzo di due molecole di DNA. Una pallina è
trattenuta all’estremità di una pipetta; l’altra invece è intrappolata otticamente con un fascio laser focalizzato. Durante l’esperimento la pipetta di vetro viene allon-
tanata oppure avvicinata alla trappola ottica per aumentare oppure diminuire la forza meccanica esercitata sulla proteina.

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