Biointerfacce

Superfici ricoperte e funzionalizzate da biomolecole giocano un ruolo chiave nelle nanobiotecnologie. A NANOTEC studiamo le biomolecole all’interfaccia con tecniche ad altissima risoluzione per valutarne il meccanismo di auto-assemblamento su superfici e la loro aggregazione, per studiare le proprietà meccaniche e viscoelastiche di biomateriali applicati alla rigenerazione di tessuti e alla biosensoristica.

Proteine alle interfacce

Mono e multilayer di proteine e peptidi sono creati all’interfaccia liquido/vapore mediante tecniche di Langmuir. Gli studi sui processi di aggregazione vengono effettuati in-situ, attraverso l’analisi delle isoterme di compressione ottenute sotto differenti condizioni ambientali (T, pH, velocità di compressione) e usando modelli derivati da quelli classicamente impiegati per la “tradizionale” aggregazione 3D e adattati al mondo bi-dimensionale. Le proprietà strutturali di film e multilayers sono investigate con metodi di nano meccanica SPM e spettroscopia di forza, dopo il loro trasferimento su substrati solidi di silicio o vetro con tecniche Langmuir-Blodgett / Langmuir-Shaefer. Particolarmente interessanti sono le Idrofobine, piccole proteine prodotte da funghi filamentosi, in pratica surfattanti biologici i cui aggregati costituiscono un sistema modello per lo studio dei meccanismi di aggregazione proteica, con particolare riferimento all’aggregazione amiloide.  Le idrofobine posseggono inoltre altre interessanti proprietà che possono essere sfruttate in applicazioni bio-tecnologiche.

Aggregazione proteica

L’aggregazione proteica è un processo innescato da cambiamenti fisici e chimici nell’ambiente molecolare circostante. Queste modificazioni possono portare a diverse malattie neurodegenerative conosciute come patologie amiloidi, che includono il morbo di Alzheimer e di Parkinson e le encefalopatie spongiformi. Tuttavia, l’aggregazione può anche essere sfruttata in applicazioni nanotecnologiche utilizzando proteine di tipo non-patologico. Infatti, le proteine possono essere auto-assemblate in fibrille e in altre morfologie organizzate, che forniscono materiali nanostrutturati dotati di proprietà controllate.

Le strutture proteiche possono essere modellate regolando un certo numero di condizioni sperimentali che includono temperatura, pH, concentrazione proteica, presenza di altri composti e substrati di deposizione. Le strutture formate possono essere caratterizzate da una combinazione di metodi sperimentali e teorici. Nel nostro caso, abbiamo studiato le particolarità dell’auto-assemblaggio di proteine modello quali la ß-lattoglobulina e l’albumina del siero umano. Le loro proprietà di aggregazione sono state investigate in presenza di metalli quali rame, zinco e ferro, così come anche in interazione con substrati solidi.

Modello di fibrille proteiche, classificate in base alla loro periodicità come filamenti di primo, secondo e terzo tipo. Immagini AFM delle fibrille ottenute dopo incubazione a 80° di β-lactoglobulina sia da sola che in presenza di quantità crescenti di ioni Rame
Modello di fibrille proteiche, classificate in base alla loro periodicità come filamenti di primo, secondo e terzo tipo. Immagini AFM delle fibrille ottenute dopo incubazione a 80° di β-lactoglobulina sia da sola che in presenza di quantità crescenti di ioni Rame

Meccanismi molecolari di adesione e lubrificazione di proteine e polimeri biomimetici

Esistono numerosi esempi di superfici biologiche che mostrano sorprendenti proprietà di lubrificazione, dalla totale refrattarietà all’adsorbimento/adesione a bassi coefficienti di frizione bassi e/o grande resistenza all’abrasione, pur essedo esposte o completamente immerse in fluidi a base di acqiua.  Si pensi, ad esempio, alle cartilagini articolari, alla cornea oculare, ai denti o alle superfici dei tratti gestro-intestinale e riproduttivo. D’altro canto, la maggior parte dei lubrificanti e dei rivestimenti superficiali prodotti dall’uomo si basa su oli, grassi e altri materiali idrofobici inadatti all’ambiente acquoso, per cui molte applicazioni in bioingegneria, quali protesi articolari, lenti a contatto, valvole cardiache, cateteri e altre sonde mediche, sono soggette a problemi di lubrificazione. Allo stesso modo, la gran parte delle colle artificiale è inadatta a superfici bagnate, mentre numerosi organismi marini quali conchiglie, alghe e mitili riescono ad aderire fermamente e stabilmente su superfici immerse. Il nostro progetto ha l’obiettivo di chiarire i meccanismi molecolari di adesione e lubrificazione in questi sistemi biologici, mettendo in relazione composizione, conformazione e funzione molecolare per due classi di proteine per due diverse classi di proteine: le glicoproteine mucine che lubrificano e proteggono la gran parte delle superficie del corpo umano, e le proteine del peduncolo adesivo dei mitili. In entrambi i casi, la caratteristica fondamentale è la presenza di gruppi molecolari funzionali, rispettivamente dei gruppi polisaccaridi idrofili nelle mucine e il gruppo DOPA (L-3,4-diidroxifenilalanina) nei mitili.

Lo studio si svolge con l’ausilio di un apparato per la misura delle forze di superficie (Surface Force Apparatus o SFA, unico in Italia) e di microscopi a forza atomica (AFM) usando strati di proteine adsorbiti su superfici solide e rivestimenti funzionali con proprietà fisico-chimiche note (carica superficiale, poarlità, rugosità, ecc.). Le scoperte sui meccanismi molecolari di adesione e lubrificazione possono essere tradotte in polimeri sintetici biomimetici, ugualmente considerati in questo progetto, inserendo i necessari gruppi molecolari funzionali.

(a) Geometria di confinamento sfera-piano usata per le misure di forza SFA ed AFM su proteine e polimeri. Gruppi adesivi come la DOPA delle proteine adesive (PVFP) della cozza asiatica Perna Viridis creano una rete di ponti molecolari tra superfici. (b) Misure di forza AFM su un polimero biomimetico inspirato alle PVFP. Il piccolo raggio di curvatura della sonda, R ≈ 10 nm, permette di risolvere singoli eventi di stiramento dei ponti molecolari e rottura dei legami adesivi, oltre alla forza di adesione F0. (c) L’SFA, con un raggio R ≈ 2 cm, misura la forza generate da una grande popolazione di molecole. (d) Morfologia di proteine singole e piccoli aggregati di mucine (BSM) risolti con un AFM su una superficie piatta di mica.
(a) Geometria di confinamento sfera-piano usata per le misure di forza SFA ed AFM su proteine e polimeri. Gruppi adesivi come la DOPA delle proteine adesive (PVFP) della cozza asiatica Perna Viridis creano una rete di ponti molecolari tra superfici. (b) Misure di forza AFM su un polimero biomimetico inspirato alle PVFP. Il piccolo raggio di curvatura della sonda, R ≈ 10 nm, permette di risolvere singoli eventi di stiramento dei ponti molecolari e rottura dei legami adesivi, oltre alla forza di adesione F0. (c) L’SFA, con un raggio R ≈ 2 cm, misura la forza generate da una grande popolazione di molecole. (d) Morfologia di proteine singole e piccoli aggregati di mucine (BSM) risolti con un AFM su una superficie piatta di mica.

Proprietà meccaniche dei tessuti biologici su scala micro- e nanometrica

Le proprietà meccaniche dei tessuti biologici sono essenziali per le loro funzioni fisiologiche. Comprendere la biomeccanica dei tessuti è la chiave di volta per la cura di diverse malattie. La stragrande maggioranza delle ricerche sulla meccanica dei tessuti è focalizzata sullo studio delle proprietà meccaniche macroscopiche complessive, senza considerare la struttura molecolare. La comprensione delle proprietà meccaniche alla micro e nanoscala può aiutare a sviluppare modelli più completi per i tessuti stessi.

A titolo di esempio, l’occhio umano è l’organo che permette di vedere ed interpretare la forma, i colori e le dimensioni degli oggetti. La cornea è la parte anteriore trasparente dell’occhio ed ha la struttura di un guscio sottile. Il tessuto corneale è organizzato in cinque strati, che sono paralleli alla superficie esterna: epitelio, strato di Bowman, stroma, membrana di Descemet, endotelio. Lo stroma rappresenta il 90% dello spessore corneale ed è organizzato in circa 300-500 lamelle collagene, composte da fasci di fibrille di collagene circondate da una matrice gelatinosa per lo più composta da proteoglicani. Una migliore comprensione della nanomeccanica del tessuto corneale è importante per chiarire le interazioni molecolari tra le fibrille di collagene che possono, in ultima analisi, contribuire allo sviluppo di nuove tecniche e dispositivi per curare le malattie oculari.

Negli ultimi tre anni, la nostra ricerca si è concentrata principalmente sullo studio delle proprietà meccaniche dello stroma corneale utilizzando tecniche di microscopia a forza atomica. Una parte della ricerca è stata dedicata allo studio degli effetti indotti nel tessuto corneale dalla tecnica di reticolazione indotta da riboflavina/UV-A, usata per il trattamento clinico di una malattia della cornea nota come cheratocono. Un’altra parte della ricerca è stata finalizzata a studiare l’anisotropia meccanica dello stroma corneale umano, in funzione della profondità corneale, su scala micro e nanometrica per correlare la risposta biomeccanica su differenti scale di misura.

Biofunzionalizzazioni di materiali e dispositivi

Materiali biomimetici o inspirati alla biologia rappresentano un campo di ricerca scientifica emergente nell’area della biomedicine, bioingegneria e delle scienze biologiche. In questo campo, di particolare interesse sono i materiali biofunzionali ossia capaci di interagire in maniera specifica con l’ambiente circostante e che trovano applicazione nella ingegneria tessutale, terapie, biosensing e bioimaging. Nel campo dell’ingegneria tessutale biomateriali ispirati alla biomimesi includono hydrogels, calcio fosfati come l’idrossiapatite e film contenenti magnesio o proteine e peptidi della matrice extracellulare (ECM). Plasmi a bassa e alta pressione possono essere usati al fine di promuovere l’adsorbimento di microcarriers per il rilascio controllato di farmaci o di depositare film a base di idrossiapatite o magnesio.

Microscopia a fluorescenza di cellule SAOS2 cresciute su scaffold di PLC prima (native, a sinistra) e dopo (100%H2_Mg, a destra) deposizione per sputtering via plasma di un rivestimento a base di Mg che ha lo scopo di rilasciare ioni Mg2+ e OH-.

Facilities & Labs

Micro/nano fabrication @ Rende

Bio lab @ Rende

Structural and morphological characterizations lab @ Rende

Plasma Technologies Lab @ URT Bari

Chemical-Structural Characterization Lab @ URT Bari

Bio Lab @ URT Bari

People

michel giocondoMichele

Giocondo

Ricercatore CNR

PaoloFrancesco_AmbricoPaolo Francesco

Ambrico

Ricercatore CNR

Eloisa_SardellaEloisa

Sardella

Ricercatore CNR

Bruno_RizzutiBruno

Rizzuti

Ricercatore CNR

Pasquale_PagliusiPasquale

Pagliusi

Professore Associato

Bruno_ZapponeBruno

Zappone

Ricercatore CNR

MariaPenelope_DeSantoMaria P.

De Santo

Ricercatore Associato

Riccardo_BarbieriRiccardo

Barberi

Professore Associato

Pietro-FaviaPietro

Favia

Professore Associato

Roberto_GristinaRoberto

Gristina

Ricercatore CNR

fabio_palumbor150Fabio

Palumbo

Ricercatore CNR

Federica_ciuchiFederica

Ciuchi

Ricercatore CNR

Publications

  1. L. Petrone, A. Kumar, C. N. Sutanto, N. J. Patil, S. Kannan, A. Palaniappan, S. Amini, B. Zappone, C. Verma and A. Miserez, Mussel adhesion is dictated by time-regulated secretion and molecular conformation of mussel adhesive proteins, Nature Communications  6, 8737 (2015) ISSN: 2041-1723; doi: 10.1038/ncomms9737
  2. B. Zappone, N. Patil, J. Madsen, K. Pakkanen, S. Lee, Molecular Structure and Equilibrium Forces of Bovine Submaxillary Mucin Adsorbed at a Solid-Liquid Interface Langmuir, 31 (15), 4524-4533 (2015) ISSN: 0743-7463; doi: 10.1021/acs.langmuir.5b00548
  3. R. Guzzi, B. Rizzuti, C. Labate, B. Zappone, M.P. De Santo, Ferric ions inhibit the amyloid fibrillation of ß-lactoglobulin at high temperature, Biomacromolecules, 16, 1794-1801 (2015). ISSN: 1525-7797; doi: 10.1021/acs.biomac.5b00371
  4. C. Labate, M.P. De Santo, G. Lombardo, M. Lombardo, Understanding Of The Viscoelastic Response Of The Human Corneal Stroma Induced By Riboflavin/Uv-A Cross-Linking At The Nano Level, Plos One, 10, 4 pag UNSP e0122868 (2015), ISSN: 1932-6203 doi: 10.1371/Journal.Pone.0122868
  5. C. Labate, M. Lombardo, M. P. De Santo, J. Dias. N.M. Ziebarth, G. Lombardo, Multiscale Investigation Of The Depth-Dependent Mechanical Anisotropy Of The Human Corneal Stroma, Investigative Ophthalmology & Visual Science 56 (6), 4053-60 (2015) ISSN: 0146-0404;doi: 10.1167/Iovs.15-16875.
  6. T. Røn, I. Javakhishvili, N. J. Patil; K. Jankova Atanasova, B. Zappone, S. Hvilsted, S. Lee, Aqueous lubricating properties of charged (ABC) and neutral (ABA) triblock copolymer chains Polymer 55, 4873–4883 (2014). ISSN: 0032-3861; doi: 10.1016/j.polymer.2014.07.049
  7. G. Da Ponte, E. Sardella, F. Fanelli, S. Paulussen, P. Favia. Atmospheric pressure plasma deposition of poly lactic acid-like coatings with embedded elastin. Plasma processes and polymers 11-4 (2014) 342-352 ISSN: 1612-8850; doi: 10.1002/ppap.201300130

Other selected publications

  1. Houmadi, R.D. Rodriguez, S. Longobardi, P. Giardina, M. C. Fauré, M. Giocondo, E. Lacaze, Self-Assembly of Hydrophobin Protein Rodlets Studied with Atomic Force Spectroscopy in Dynamic Mode Langmuir 28(5), 2551-2557 (2012). ISSN: 0743-7463; doi: 10.1021/la2028093
  2. De Stefano, I. Rea, E. De Tommasi, I. Rendina, L. Rotiroti, M. Giocondo, S. Longobardi, A. Armenante, and P. Giardina. Bioactive Modification of Silicon Surface using Self-assembled Hydrophobins from Pleurotus ostreatusEPJ E-Soft Matter & Biological Physics, 30(2), 181-185 (2009) ISSN: 1292-8941; doi: 10.1140/epje/i2009-10481-y
  3. Houmadi, F. Ciuchi, M.P. De Santo, L. De Stefano, I. Rea, P. Giardina, A. Armenante, E. Lacaze and M. Giocondo. Langmuir-Blodgett film of hydrophobin protein from Pleurotus ostreatus at the air-water interfaceLangmuir, 24(22), 12953–12957, (2008). ISSN: 0743-7463; doi: 10.1021/la802306r
  4. De Stefano, I.  Rea, A. Armenante, I. Rendina,  P. Giardina and  M. Giocondo. Self-Assembled Biofilm of Hydrophobins Protect the Silicon Surface in the KOH Wet Etch Process, Langmuir 23(15) 7920 (2007) ISSN: 0743-7463; doi: 10.1021/la701189b
  5. Das; X. Banquy; B. Zappone; G. W. Greene; G. Jay; J. Israelachvili , Synergistic interactions between grafted Hyaluronic acid and Lubricin provide enhanced wear protection and lubrication, Biomacromolecules 14, 1669–1677 (2013). ISSN: 1525-7797; doi: 10.1021/bm400327a
  6. Zappone, P. J. Thurner, J. Adams, G. E. Fantner, P. K. Hansma, Effect of Ca2+ ions on the adhesion and mechanical properties of adsorbed layers of human Osteopontin, Biophysical Journal, 95,  1-12 (2008). ISSN: 0006-3495; doi: 10.1529/biophysj.108.135889
  7. Zappone, G. W. Greene, E. Ouroudjev, G. D. Jay, J. N. Israelachvili, Molecular aspects of the boundary lubrication by human Lubricin: effect of disulphide bonds and enzymatic digestion, Langmuir 24, 1495-1508 (2008). ISSN: 0743-7463; doi: 10.1021/la702383n
  8. Zappone, M. Ruths, G. W. Greene, G. D. Jay, J. N. Israelachvili, Adsorption, lubrication and wear of Lubricin on model surfaces: Polymer brush-like behavior of a glycoprotein, Biophysical Journal 92, 1693-1708 (2007). ISSN: 0006-3495; doi: 10.1529/biophysj.106.088799
  9. Lombardo M, Lombardo G, Carbone G, De Santo Mp, Barberi R, Serrao S, Biomechanics Of The Anterior Human Corneal Tissue Investigated With Atomic Force Microscopy. Investigative Ophthalmology & Visual Science, 53, 1050-1057 (2012) ISSN: 0146-0404; doi: 10.1167/iovs.11-8720
  10. Lombardo M, Carbone G, Lombardo G, De Santo Mp, Barberi R, Analysis Of Intraocular Lens Surface Adhesiveness By Atomic Force Microscopy, Journal Of Cataract And Refractive Surgery, 35, 1266-1272 (2009) ISSN: 0886-335; doi: 10.1016/j.jcrs.2009.02.0290

Project

  1. PRIN 2010–2011 (PROxi project).
  2. Laboratorio SISTEMA – Laboratorio per lo Sviluppo Integrato delle Scienze e delle TEcnologie dei Materiali Avanzati e per dispositivi innovativi; Potenziamento Strutturale PONa3_00369 , (2012 – 2014)

Latest News

Jam session Nanotec... note di scienza su scala nanometrica

Lecce, 27 settembre 2019 - ex monastero degli Olivetani   "CAR-T: l'alba di una nuova era" con: Attilio Guarini (IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari) introduce e modera: Marco Ferrazzoli (Ufficio Stampa CNR Roma) a cura di: Gabriella Zammillo  

Le CAR-T (Chimeric Antigens Receptor Cells-T) sono cellule modificate in laboratorio a partire dai linfociti T. Rappresentano una nuova strategia di cura che sfrutta il sistema immunitario per combattere alcuni tipi di tumore come linfomi aggressivi a grandi cellule e leucemie linfoblastiche acute a cellule B. Il prof Attilio Guarini, ematologo all’Istituto tumori Giovanni Paolo II di Bari, le definisce la “vis sanatrix naturae della antica medicina salernitana”, trattandosi del potenziamento dell’attività citotossica dei linfociti del paziente opportunamente ingegnerizzati per riconoscere e contrastare alcuni tipi di cellule tumorali.

 

Le CAR-T possono quindi essere definite un “farmaco vivente” proprio perché prodotto a partire dalle cellule dello stesso paziente aprendo così ad un nuovo mondo, considerato che i farmaci convenzionali sono prodotti da sostanze chimiche o, in alternativa, sono anticorpi prodotti in laboratorio dai biologi. Un trattamento estremamente complesso e costoso, non sempre applicabile, ma laddove possibile, dai risultati incoraggianti per le aspettative di vita. Lo sviluppo di nuove tecnologie per la produzione di CAR-T è parte integrante delle attività di ricerca condotte dal TecnoMed Puglia, il TecnoPolo per la Medicina di Precisione, coordinato da Giuseppe Gigli direttore del Cnr Nanotec di Lecce, e che nel suo nucleo fondatore vede anche l’IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari, il Centro di malattie neurodegenerative e dell’invecchiamento cerebrale dell’Università di Bari con sede presso l’Ospedale " G. Panico" di Tricase e la Regione Puglia.

 

L'evento apre la nuova stagione della rassegna divulgativa "Jam session Nanotec: note di scienza su scala nanometrica", un progetto Cnr Nanotec di Gabriella Zammillo, realizzato in collaborazione con Liberrima.

A condurre e moderare la serata, Marco Ferrazzoli, capo ufficio stampa dal CNR.   Puoi scaricare la locandina da qui

Notte dei Ricercatori

Lecce, 27 settembre 2019

 

ex monastero degli Olivetani, ore 18:00 - 24:00

 
  Ritorna puntuale la Notte dei Ricercatori, l’evento più atteso dai tanti appassionati di scienza, ghiotti di conoscenza senza distinzione di età. E sempre più densa di contenuti è la partecipazione del @CnrNanotec che, per l’edizione 2019,  ha reso ancora più appetibile il calendario degli appuntamenti programmati all’interno del progetto europeo #ERN-Apulia  coordinato da Unisalento, tracciando un ideale tour tra gli intriganti campi del sapere che si dipana attraverso narrazioni, illustrazioni, laboratori hand-on, dibattiti, giochi per grandi e piccini e rappresentazioni teatrali. Clicca qui per il programma completo delle attività di Nanotec.   Per l'evento completo apri il link: www.laricercaviendinotte.it  
 

WELFARE E PARI OPPORTUNITA'

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14-22 ottobre 2019

 

Science coffee. Tre scienziate si raccontano: Luisa Torsi, Loretta L del Mercato, Eva Degl'Innocenti Bari - Fiera del Levante, 20 settembre 2019 - 17.30

Luisa Torsi, chimica, docente all’Università degli Studi di Bari e alla ABO Akademi University in Finlandia, tra le protagoniste della mostra della Fondazione Bracco . Loretta L del Mercato, biotecnologa - Ricercatrice CNR Nanotec. Esperta nell’uso delle nanotecnologie applicate in campo biomedico. Attualmente la ricerca si concentra sullo sviluppo di modelli cellulari di tumore del pancreas che consentano di testare l'efficacia di diverse terapie anticancro. Coordina il progetto ERC-StG “INTERCELLMED” finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (Erc). Eva Degl'Innocenti, Direttrice MARTA di Taranto [/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]