Attività Scientifica
La ricerca del gruppo è focalizzata sulla caratterizzazione di nanostrutture e nanosistemi di rilevanza biologica e medica attraverso microscopie a scansione e tecniche di caratterizzazione ad alta risoluzione e lo studio della struttura e funzione di biosistemi tramite spettroscopia XANES, vis/IR, Raman e spettro-microscopia a raggi X.
Riguardo gli studi di microscopia SPM, ci siamo concentrati sulle alterazioni indotte da stress e stimoli ambientali su sistemi biologici (incuse patologie, farmaci, esposizione a substrati nanostrutturati e ad inquinanti nanodimensionati).
Il gruppo ha spesso esplorato strade innovative per migliorare le capacità di caratterizzazione. Ad esempio, nel Biotech@ISM abbiamo sviluppato un sensore nanomeccanico, il nanomotion sensor, per caratterizzare in tempo reale l’attività metabolica di sistemi biologici.
Progetti
Il seguente progetto è attualmente sviluppato nell’ambito del progetto d’istituto “Meccanotrasduzione e risposta cellulare in eritrociti umani e sistemi cellulari modello fisiologici e patologici”.
Sviluppo di un sensore a movimento nanodimensionato per studiare l’attività metabolica di cellule e batteri
Il Gruppo BioTech@ISM dell’Istituto di Struttura della Materia - CNR in Roma ha sviluppato un nanomotion sensor basato su sensori nanomeccanici che permette di misurare le vibrazioni alla nanoscala di singole cellule in condizioni fisiologiche (Mustazzolu et al., Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 2019). Lo strumento è basato su un microscopio a forza atomica (AFM), montato su un microscopio ottico invertito e connesso ad una scheda I/O per la raccolta dei movimenti di origine metabolica di cellule. I sensori sono i leverini tipicamente utilizzati negli AFM e il segnale di movimento nanostrutturato è ottenuto raccogliendo le vibrazioni di questo sensore nel tempo. Questo sensore permette di misurare in tempo reale l’attività metabolica del Sistema biologico anche in risposta a stimoli fisici o chimici esterni.
La tecnica è stata validata in molti studi su sistemi biologici che spaziano dai batteri alle cellule e ai movimenti di sistemi proteici. Le applicazioni vanno dalla microbiologia all’oncologia fino all’astrobiologia (Venturelli et al., J. Mol. Recog., 2020). Uno studio recente ha applicato questi sensori innovative per la caratterizzazione delle interazioni tra beta-amiloidi e neuroni, evidenziando il ruolo fondamentale che può avere il nanomotion sensor nello studio delle neurodegenerazioni. (Vannocci et al., Sci. Rep., 2019).
Sviluppo di un sensore a movimento nanodimensionato per studiare l’attività metabolica di cellule e batteri
Il Gruppo BioTech@ISM dell’Istituto di Struttura della Materia - CNR in Roma ha sviluppato un nanomotion sensor basato su sensori nanomeccanici che permette di misurare le vibrazioni alla nanoscala di singole cellule in condizioni fisiologiche (Mustazzolu et al., Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 2019). Lo strumento è basato su un microscopio a forza atomica (AFM), montato su un microscopio ottico invertito e connesso ad una scheda I/O per la raccolta dei movimenti di origine metabolica di cellule. I sensori sono i leverini tipicamente utilizzati negli AFM e il segnale di movimento nanostrutturato è ottenuto raccogliendo le vibrazioni di questo sensore nel tempo. Questo sensore permette di misurare in tempo reale l’attività metabolica del Sistema biologico anche in risposta a stimoli fisici o chimici esterni.
La tecnica è stata validata in molti studi su sistemi biologici che spaziano dai batteri alle cellule e ai movimenti di sistemi proteici. Le applicazioni vanno dalla microbiologia all’oncologia fino all’astrobiologia (Venturelli et al., J. Mol. Recog., 2020). Uno studio recente ha applicato questi sensori innovative per la caratterizzazione delle interazioni tra beta-amiloidi e neuroni, evidenziando il ruolo fondamentale che può avere il nanomotion sensor nello studio delle neurodegenerazioni. (Vannocci et al., Sci. Rep., 2019).
Pubblicazioni rilevanti
L Venturelli, AC Kohler, P Stupar, MI Villalba, A Kalauzi, K Radotic, et al.
A perspective view on the nanomotion detection of living organisms and its features
Journal of Molecular Recognition, e2849 (2020)
A perspective view on the nanomotion detection of living organisms and its features
Journal of Molecular Recognition, e2849 (2020)
T. Vannocci, S. Dinarelli, A. Pastore, M. Girasole, G. Longo
A new tool to determine the cellular metabolic landscape: nanotechnology to the study of Friedreich’s ataxia
SCI REP. 9, 19282 (2019)
A new tool to determine the cellular metabolic landscape: nanotechnology to the study of Friedreich’s ataxia
SCI REP. 9, 19282 (2019)
A. Mustazzolu, L. Venturelli, S. Dinarelli, K. Brown, R.A. Floto, G. Dietler, L. Fattorini, S. Kasas, M. Girasole, G. Longo
A rapid unravelling of mycobacterial activity and of their susceptibility to antibiotics
ANTIMICROBIAL AGENTS AND CHEMOTHERAPY, vol. 3, p. 2194 (2019)
A rapid unravelling of mycobacterial activity and of their susceptibility to antibiotics
ANTIMICROBIAL AGENTS AND CHEMOTHERAPY, vol. 3, p. 2194 (2019)
Il seguente progetto è stato sviluppato nell’ambito di un progetto bilaterale IT-BG intitolato:
Invecchiamento di eritrociti umani in soggetti sani e patologici, strudiato tramite Scansione a Calorimetria Differenziale (DSC), Microscopia a Forza Atomica (AFM) e tecniche biochimiche
Questo Progetto, nato all’interno di un accordo bilaterale tra Italia e Bulgaria, ha permesso di combinare l’esperienza di due gruppi di ricercatori per studiare l’invecchiamento cellulare di globuli rossi da individui sani e patologici. Questa analisi si è sviluppata combinando i risultati di diverse tecniche microscopiche e spettroscopiche come AFM e DSC e caratterizzando vari parametri biochimici dei campioni.
Tramite DSC abbiamo determinato le principali proteine coinvolte nel processo di invecchiamento a tre livelli di complessità: intera cellula, contenuto intracellulare e membrano-scheletro. Questa analisi è stata accoppiata a misure AFM focalizzate a determinare le proprietà morfometriche e nano-meccaniche delle cellule e delle membrane isolate.
L’obiettivo finale delle caratterizzazioni è di determinare un pattern di invecchiamento delle cellule sane e patologiche e di utilizzare le differenze per ottenere informazioni utili dal punto di vista clinico.
Invecchiamento di eritrociti umani in soggetti sani e patologici, strudiato tramite Scansione a Calorimetria Differenziale (DSC), Microscopia a Forza Atomica (AFM) e tecniche biochimiche
Questo Progetto, nato all’interno di un accordo bilaterale tra Italia e Bulgaria, ha permesso di combinare l’esperienza di due gruppi di ricercatori per studiare l’invecchiamento cellulare di globuli rossi da individui sani e patologici. Questa analisi si è sviluppata combinando i risultati di diverse tecniche microscopiche e spettroscopiche come AFM e DSC e caratterizzando vari parametri biochimici dei campioni.
Tramite DSC abbiamo determinato le principali proteine coinvolte nel processo di invecchiamento a tre livelli di complessità: intera cellula, contenuto intracellulare e membrano-scheletro. Questa analisi è stata accoppiata a misure AFM focalizzate a determinare le proprietà morfometriche e nano-meccaniche delle cellule e delle membrane isolate.
L’obiettivo finale delle caratterizzazioni è di determinare un pattern di invecchiamento delle cellule sane e patologiche e di utilizzare le differenze per ottenere informazioni utili dal punto di vista clinico.
Pubblicazioni rilevanti
F.S. Ruggeri, C. Marcott, S. Dinarelli, G. Longo, M. Girasole, G. Dietler, T.P.J. Knowles
Identification of Oxidative Stress in Red Blood Cells with Nanoscale Chemical Resolution by Infrared Nanospectroscopy.
INT. J. MOL. SCI., 19, 2582 (2018).
Identification of Oxidative Stress in Red Blood Cells with Nanoscale Chemical Resolution by Infrared Nanospectroscopy.
INT. J. MOL. SCI., 19, 2582 (2018).
S Dinarelli, G Longo, S Krumova, S Todinova, A Danailova, SG Taneva, E Lenzi, V Mussi, M Girasole
Insights into the morphological pattern of erythrocytes' aging: Coupling quantitative AFM data to microcalorimetry and Raman spectroscopy.
JOURNAL OF MOLECULAR RECOGNITION, vol. 31 (11), e2732.
Insights into the morphological pattern of erythrocytes' aging: Coupling quantitative AFM data to microcalorimetry and Raman spectroscopy.
JOURNAL OF MOLECULAR RECOGNITION, vol. 31 (11), e2732.
Il seguente progetto è stato sviluppato nell’ambito di un programma finanziato dall’ENI per il monitoraggio dell’ambiente in corrispondenza dell’installazione di piattaforme offshore per l’estrazione di gas nell’Adriatico:
Inquinanti metallici nanostrutturati in tessuti di mitilo
Questo studio si è sviluppato all’interno di una collaborazione con ENI nell’ambito del monitoraggio delle piattaforme di trivellazione nel mar Adriatico, per determinare l’effetto ambientale delle piattaforme di estrazione di gas.
Lo studio ha richiesto la combinazione di misure AFM e SEM per caratterizzare dal punto di vista morfologico, reologico e nanomeccanico le proprietà di sezioni istologiche di tessuti ottenuti da animali particolarmente sensibili all’inquinamento ambientale dell’amvbiente marino: i mitili. In questi studi, sono stati evidenziati diversi casi in cui nanomateriali, spesso di natura metallica, erano presenti nei tessuti e questo è stato visto attraverso misure EDX e contrasti nelle misure reologiche. In aggiunta, tramite studi nanomeccanici, è stato possibile evidenziare l’effetto sul tessuto circostante di questi inquinanti nanodimensionati.
Inquinanti metallici nanostrutturati in tessuti di mitilo
Questo studio si è sviluppato all’interno di una collaborazione con ENI nell’ambito del monitoraggio delle piattaforme di trivellazione nel mar Adriatico, per determinare l’effetto ambientale delle piattaforme di estrazione di gas.
Lo studio ha richiesto la combinazione di misure AFM e SEM per caratterizzare dal punto di vista morfologico, reologico e nanomeccanico le proprietà di sezioni istologiche di tessuti ottenuti da animali particolarmente sensibili all’inquinamento ambientale dell’amvbiente marino: i mitili. In questi studi, sono stati evidenziati diversi casi in cui nanomateriali, spesso di natura metallica, erano presenti nei tessuti e questo è stato visto attraverso misure EDX e contrasti nelle misure reologiche. In aggiunta, tramite studi nanomeccanici, è stato possibile evidenziare l’effetto sul tessuto circostante di questi inquinanti nanodimensionati.
Pubblicazioni rilevanti
S Dinarelli, G Longo, S Cannata, S Bernardini, A Gomiero, G Fabi, et al.
Metal‐based micro and nanosized pollutant in marine organisms: What can we learn from a combined atomic force microscopy‐scanning electron microscopy study.
Journal of Molecular Recognition (2020)
Metal‐based micro and nanosized pollutant in marine organisms: What can we learn from a combined atomic force microscopy‐scanning electron microscopy study.
Journal of Molecular Recognition (2020)
Strumentazioni
Collaborazioni
- King’s College (London, UK) Prof. A. Pastore; Dr. T. Vannocci
- EPFL (Lausanne, CH): Prof. G. Dietler; dr S. Kasas
- Bulgarian Academy of Science (Dip. Biophysics and Biomedical engineering; Prof. S. Taneva; dr. S. Krumova)
- CNR: IFT (Roma, Dr. A. Lisi); IRBIM (Ancona, Dr. G. Fabi)
- University Tor Vergata (Dip. Biology) Prof. S. Cannata
- University of Cassino (Prof. F. Misiti)
- University of Rome, La Sapienza (Dip. Biochemical Sciences; Prof. A. Bellelli; Dr. G. Boumis)
- Delft University, Delft, NL (Prof. Farbod Alijani)
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