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23 Marzo 2009
Un modello teorico potrà fornire indicazioni utili per lo sviluppo di farmaci mirati e per la migliore comprensione del delicato equilibrio cellulare.
Capace di valutare il complesso delle reazioni chimiche all’interno della cellula e di indicare le criticità che possono causare patologie, il modello teorico per l’analisi e la predizione del metabolismo cellulare è stato messo a punto da ricercatori che operano a Roma, Trieste e Londra.
Ricostruire l’intricata rete delle reazioni chimiche cellulari, in grado di identificare quelle essenziali alla sopravvivenza o dalla cui irregolarità possono insorgere specifiche patologie è il risultato del lavoro pubblicato sulla rivista scientifica PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
I ricercatori ai quali si deve questo studio sono: Andrea De Martino ed Enzo Marinari, del centro SMC di INFM-CNR e dell’Università La Sapienza di Roma, Carlotta Martelli dell’Università La Sapienza di Roma, Matteo Marsili del Centro Internazionale di Fisica Teorica di Trieste e Isaac Pérez Castillo del King’s College di Londra.
Delle cellule, e delle strutture che le compongono, si sa già molto. Ciò che ancora non si conosce bene, però, è la rete di reazioni chimiche che costantemente avvengono al loro interno, una sorta di intricata ragnatela di reazioni (circa un migliaio) per la maggior parte inaccessibile all’osservazione sperimentale. Con questa conoscenza potranno essere chiarite molte delle vulnerabilità cellulari, precisando inoltre cause e meccanismi chimici alla base di numerose patologie. E sarà possibile capire meglio il ruolo svolto dai singoli geni nei processi cellulari, dato che ogni gene è legato a una reazione chimica attraverso l’enzima catalizzatore che questo esprime.
E' proprio questo l'obiettivo del modello teorico pubblicato dai ricercatori: fornire globalmente, attraverso una simulazione affidabile, quante più informazioni possibili sulle reazioni che coinvolgono la cellula. A partire dalla struttura della cellula e da poche altre condizioni iniziali, il modello è in grado di ricostruire le proprietà e la stabilità delle reazioni, identificando quelle essenziali alla sua sopravvivenza, o il cui malfunzionamento potrebbe essere causa di gravi disturbi.
Testato simulando la catena di reazioni di cellule di Escherichia Coli, un comune batterio, il modello ha dato risultati positivi, fornendo previsioni sulla qualità e quantità delle reazioni chimiche in forte accordo con i dati sperimentali, e identificando la criticità di reazioni che sono effettivamente fondamentali per la sopravvivenza del batterio. Le sue possibili applicazioni spaziano dalla ricerca sulla connessione tra reazioni chimiche cellulari e patologie allo sviluppo di nuovi farmaci. Nel primo caso, comprendere le reazioni più critiche e non ancora osservate sperimentalmente potrebbe far emergere delle connessioni tra queste e specifiche malattie. Per quanto riguarda invece la farmacopoiesi, sapere quali reazioni sono maggiormente implicate in una data malattia, unita alla possibilità di valutare in cascata l’effetto di sostanze chimiche sulla cellula (come per esempio le molecole dei farmaci), potrebbe essere di grande aiuto per lo sviluppo di composti farmacologici.
Per entrare nel vivo della ricerca abbiamo rivolto una breve intervista al dottor Enzo Marinari.
Quando è iniziata e quando si è conclusa la vostra ricerca?
La ricerca è cominciata su un piano puramente teorico nel 2006, si è spostata sulle applicazioni biologiche nel 2007, ed è ancora in corso. Ci occupiamo di vari sviluppi e cerchiamo di applicare il metodo a cellule sempre più complesse e rilevanti. Siamo partiti da cellule "semplici" come i batteri e quest'anno contiamo di avere i primi risultati sugli eucarioti.
Come è stato suddiviso il lavoro fra l’unità italiana e quella inglese?
Il cuore del lavoro si è svolto a Roma, ma i colleghi di Londra e di Trieste sono competenti in alcune tecniche che ci sono state utili per portare a buon frutto la ricerca.
Sono state utilizzate strumentazioni particolari e/o costose?
Assolutamente no. I calcoli numerici non sono di taglia enorme, in sostanza sono fattibili con un buon PC. Per il resto c'è lo sviluppo e l'uso, speriamo ben scelto, di una struttura teorica, e la sua applicazione a una situazione di grande interesse.
Quali saranno i prossimi passi dei vostri studi?
Abbiamo già applicato il metodo a nuovi casi concreti, in particolare all'analisi del metabolismo dei globuli rossi umani, e stiamo cercando di capire quanto le sue previsioni possano essere realistiche in questo caso, specie rispetto all'identificazione dell'origine metaboliche di alcune patologie come il favismo o l'anemia. Come detto, nei prossimi mesi cominceremo a lavorare sulle cellule eucariotiche, ossia quelle dotate di nucleo. Queste rappresentano forse i casi di maggiore interesse e rilevanza per le applicazioni ma sono anche i casi meno studiati a livello teorico, perché tecnicamente più difficili da modellizzare dei batteri.
Si prevedono applicazioni a breve termine? Può indicare quali saranno i tempi dell’ingresso sul mercato di queste applicazioni?
Non siamo ancora al punto di avere applicazioni realistiche subito. Si tratta di una ricerca di base, che però è vicina a una possibile applicazione.
Reazioni cellulari. Nato il modello che le simula
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- Fonte: Infm-Cnr
Un modello teorico potrà fornire indicazioni utili per lo sviluppo di farmaci mirati e per la migliore comprensione del delicato equilibrio cellulare.
Capace di valutare il complesso delle reazioni chimiche all’interno della cellula e di indicare le criticità che possono causare patologie, il modello teorico per l’analisi e la predizione del metabolismo cellulare è stato messo a punto da ricercatori che operano a Roma, Trieste e Londra.
Ricostruire l’intricata rete delle reazioni chimiche cellulari, in grado di identificare quelle essenziali alla sopravvivenza o dalla cui irregolarità possono insorgere specifiche patologie è il risultato del lavoro pubblicato sulla rivista scientifica PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
I ricercatori ai quali si deve questo studio sono: Andrea De Martino ed Enzo Marinari, del centro SMC di INFM-CNR e dell’Università La Sapienza di Roma, Carlotta Martelli dell’Università La Sapienza di Roma, Matteo Marsili del Centro Internazionale di Fisica Teorica di Trieste e Isaac Pérez Castillo del King’s College di Londra.
Delle cellule, e delle strutture che le compongono, si sa già molto. Ciò che ancora non si conosce bene, però, è la rete di reazioni chimiche che costantemente avvengono al loro interno, una sorta di intricata ragnatela di reazioni (circa un migliaio) per la maggior parte inaccessibile all’osservazione sperimentale. Con questa conoscenza potranno essere chiarite molte delle vulnerabilità cellulari, precisando inoltre cause e meccanismi chimici alla base di numerose patologie. E sarà possibile capire meglio il ruolo svolto dai singoli geni nei processi cellulari, dato che ogni gene è legato a una reazione chimica attraverso l’enzima catalizzatore che questo esprime.
E' proprio questo l'obiettivo del modello teorico pubblicato dai ricercatori: fornire globalmente, attraverso una simulazione affidabile, quante più informazioni possibili sulle reazioni che coinvolgono la cellula. A partire dalla struttura della cellula e da poche altre condizioni iniziali, il modello è in grado di ricostruire le proprietà e la stabilità delle reazioni, identificando quelle essenziali alla sua sopravvivenza, o il cui malfunzionamento potrebbe essere causa di gravi disturbi.
Testato simulando la catena di reazioni di cellule di Escherichia Coli, un comune batterio, il modello ha dato risultati positivi, fornendo previsioni sulla qualità e quantità delle reazioni chimiche in forte accordo con i dati sperimentali, e identificando la criticità di reazioni che sono effettivamente fondamentali per la sopravvivenza del batterio. Le sue possibili applicazioni spaziano dalla ricerca sulla connessione tra reazioni chimiche cellulari e patologie allo sviluppo di nuovi farmaci. Nel primo caso, comprendere le reazioni più critiche e non ancora osservate sperimentalmente potrebbe far emergere delle connessioni tra queste e specifiche malattie. Per quanto riguarda invece la farmacopoiesi, sapere quali reazioni sono maggiormente implicate in una data malattia, unita alla possibilità di valutare in cascata l’effetto di sostanze chimiche sulla cellula (come per esempio le molecole dei farmaci), potrebbe essere di grande aiuto per lo sviluppo di composti farmacologici.
Per entrare nel vivo della ricerca abbiamo rivolto una breve intervista al dottor Enzo Marinari.
Quando è iniziata e quando si è conclusa la vostra ricerca?
La ricerca è cominciata su un piano puramente teorico nel 2006, si è spostata sulle applicazioni biologiche nel 2007, ed è ancora in corso. Ci occupiamo di vari sviluppi e cerchiamo di applicare il metodo a cellule sempre più complesse e rilevanti. Siamo partiti da cellule "semplici" come i batteri e quest'anno contiamo di avere i primi risultati sugli eucarioti.
Come è stato suddiviso il lavoro fra l’unità italiana e quella inglese?
Il cuore del lavoro si è svolto a Roma, ma i colleghi di Londra e di Trieste sono competenti in alcune tecniche che ci sono state utili per portare a buon frutto la ricerca.
Sono state utilizzate strumentazioni particolari e/o costose?
Assolutamente no. I calcoli numerici non sono di taglia enorme, in sostanza sono fattibili con un buon PC. Per il resto c'è lo sviluppo e l'uso, speriamo ben scelto, di una struttura teorica, e la sua applicazione a una situazione di grande interesse.
Quali saranno i prossimi passi dei vostri studi?
Abbiamo già applicato il metodo a nuovi casi concreti, in particolare all'analisi del metabolismo dei globuli rossi umani, e stiamo cercando di capire quanto le sue previsioni possano essere realistiche in questo caso, specie rispetto all'identificazione dell'origine metaboliche di alcune patologie come il favismo o l'anemia. Come detto, nei prossimi mesi cominceremo a lavorare sulle cellule eucariotiche, ossia quelle dotate di nucleo. Queste rappresentano forse i casi di maggiore interesse e rilevanza per le applicazioni ma sono anche i casi meno studiati a livello teorico, perché tecnicamente più difficili da modellizzare dei batteri.
Si prevedono applicazioni a breve termine? Può indicare quali saranno i tempi dell’ingresso sul mercato di queste applicazioni?
Non siamo ancora al punto di avere applicazioni realistiche subito. Si tratta di una ricerca di base, che però è vicina a una possibile applicazione.
