RICERCA ITALIANA     

Modelli Matematici per la Dinamica del DNA (M^2XD^2)

Università degli Studi di Lecce

Abstract

Il presente progetto è dedicato allo sviluppo di modelli matematici per lo studio della dinamica del DNA. Lo scopo principale è quello di studiare i fenomeni della denaturazione e della trascrizione del DNA; e questo sia con modelli discreti, dove la molecola viene vista come un insieme di corpi rigidi collegati tra loro da adeguate interazioni, sia usando una teoria continua che generalizza la classica teoria delle travi. I modelli discreti vengono sviluppati usando la teoria Hamiltoniana delle catene nonlineari, mentre la teoria continua viene implementata usando i metodi propri della meccanica razionale delle strutture e dei materiali per mezzo del concetto di "bitrave". Ovvero considerando una trave composta da più centroidi opportunatamente collegati tra loro, questa è una sorta di teoria delle miscele dove i costituenti sono delle travi. Le proprietà matematiche di questi modelli sono investigate tramite gli strumenti della teoria rigorosa dei sistemi dinamici. Le necessarie equazioni costitutive vengono determinate considerando direttamente gli esperimenti fatti su singole molecole di DNA (come per esempio gli esperimenti di Bustamante). Si considera il confronto tra i due approcci sia dal punto di vista teorico che numerico ed il confronto dei dati sperimentali con i modelli già disponibili in letteratura.

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe SACCOMANDI Università degli Studi di LECCE

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo del presente progetto è quello di studiare la dinamica della macromolecola di DNA per sviluppare modelli matematici atti a descrivere i fenomeni della denaturazione e della trascrizione.
I modelli saranno sviluppati lungo due direzioni. Nella prima direzione si considera il DNA come un insieme di sotto-unità rigide, il cui moto e' descritto da una Hamiltoniana e da equazioni di hamilton; a queste é anche possibile aggiungere termini di sorgente (o di dissipazione) che tengano conto dell'interazione con agenti esterni (come per esempio la RNAP che denatura la molecola stessa) e del flusso di energia originato dal ciclo dell'ATP. Nella seconda si considera il DNA come una struttura continua mono-dimensionale (una trave) e si usa la teoria della meccanica dei continui. Poiché la teoria classica delle travi considera il DNA non come una doppia elica ma bensi' come una singola entità questa teoria deve essere generalizzata adeguatamente per potere risultare significativa nello studio del fenomeno della trascrizione. Questa generalizzazione e' possibile con la teoria delle bitravi. Le bitravi sono travi che vengono descritte non solo dagli usuali parametri, ma anche da nuovi gradi di libertà interni per tenere conto delle perturbazioni microscopiche ovvero di ciò che avviene dentro la molecola (per esempio tra i due rami della doppia elica). In un certo senso si possono immaginare le bitravi come due corde avvinghiate descritte dal centroide dello strand >>>

Risultati parziali attesi

In questa fase ci si attende che soprattutto i ricercatori più giovani abbiano il tempo di concretizare la loro formazione sugli argomenti del progetto e di prendere contatto per continuare la loro formazione con laboratori guida a livello internazionaleI risultati attesi sono i modelli (quindi prime versioni di articoli da inviare a riviste) che seguono gli obbiettivi del progettoDalla conferenza di mid-term, anche grazie agli esterni, si pensa di poter fare il punto sulla situazione. Un report su questa conferenza sara' prodotto e messo a disposizone sul WEB.In questa fase si vuole vedere il raggiungimento degli obbiettivi del progetto. Quindi la soluzione dei problemi che sono stato elencati negli obbiettivi principali del progetto. In questa fase si deve avere la confezione definitiva delle pubblicazioni e il loro invio alle riviste per la pubblicazione sulla stampa scientifica.Presentazione e Disseminazione dei risultati, tramite i proceedings del workshop ed l'istituzione di un sito con tutti i lavori del progetto.

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'essere riusciti a decifrare il genoma umano è un importante passo nelle nostra comprensione dei segreti della DNA, ma per completare la nostra conoscenza di questa macromolecola è necessario tradurre le sue sequenze in "azioni" biologiche. L'organismo capace di leggere e anche comprendere le sequenze di questa molecola è l'enzima noto come RNA-polimerasi (RNAP). Questi è capace di trascrivere, duplicare ed interpretare il nostro codice in maniera efficiente ed efficace, e per questo motivo una perfetta comprensione di come risulta possibile a questo enzima di leggere ed interpretare il DNA sarebbe un passo molto importante [1].
L'RNA polimerasi è cpace di aprire temporaneamente, senza alterazioni definitive, la doppia elica e quindi di leggere e costruire la copia di una sequenza dedicata. Queto processo è sicuramente, almeno in parte, un problem ameccanico ed è quindi naturale tentare una sua modellazione quantitativa. In particolare, questo processo di lettura richiede una certa energia, che deve essere focalizzata molto precisamente nel tempo e nello spazio; inoltre una volta terminato il processo di lettura la molecola deve tornare al suo stato iniziale; questo comporta il rilascio di una certa energia, che non deve andare ad aumentare la temperatura pena il danneggiamento del DNA stesso.
Sulla base di queste considerazioni, e basandosi anche sui lavori di Davydov riguardanti eccitazioni solitoniche nelle alfa-eliche [2], Englander et al. [3] hanno >>>