RICERCA ITALIANA     

Bioelettrochimica: trasferimento di carica in sistemi di rilevanza biologica

Università degli Studi di Firenze

Abstract

Questo progetto mira a contribuire allo sviluppo in Italia dell’area interdisciplinare della Bioelettrochimica, un’area caratterizzata da un’eccezionale crescita negli ultimi anni sia in Europa che nel Nord America ed in Giappone, e che promette importanti sviluppi nello studio della relazione tra struttura e funzione di molte proteine biologicamente significative, nelle nanobiotecnologie e nello screening di farmaci; malgrado ciò, la Bioelettrochimica è ancora scarsamente sviluppata in Italia. La Bioelettrochimica può essere definita come quell’area della scienza in cui le basi teoriche e le tecniche dell’Elettrochimica sono utilizzate per studiare processi di importanza biologica.
Il progetto si focalizzerà sulla Bioelettrochimica all’interfase metallo/acqua, che tratta i processi di rilevanza biologica che danno origine ad un flusso di carica misurabile, di natura capacitiva o faradica, attraverso elettrodi metallici. In particolare, si esamineranno i seguenti argomenti:
(1) Modelli sperimentali di membrane biologiche (le membrane biomimetiche) supportati da metalli saranno caratterizzati ed utilizzati per studiare il trasporto ionico attraverso le membrane biologiche, indotto da peptidi e proteine che formano canali ionici. Bistrati lipidici verranno ancorati alla superficie metallica grazie ad uno spaziatore idrofilico, allo scopo di creare un ambiente favorevole all’incorporazione di proteine integrali. L’uso del mercurio come supporto impartirà al >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Rolando Guidelli Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Questo progetto mira a contribuire allo sviluppo in Italia dell’area interdisciplinare della Bioelettrochimica, un’area caratterizzata da un’eccezionale crescita negli ultimi anni sia in Europa che nel Nord America ed in Giappone, e che promette importanti sviluppi nello studio della relazione tra struttura e funzione di molte proteine biologicamente significative, nelle nanobiotecnologie e nello screening di farmaci; malgrado ciò, la Bioelettrochimica è ancora scarsamente sviluppata in Italia. La Bioelettrochimica può essere definita come quell’area della scienza in cui le basi teoriche e le tecniche dell’Elettrochimica sono utilizzate per studiare processi di importanza biologica.
Il progetto si focalizzerà sulla Bioelettrochimica all’interfase metallo/acqua, che tratta i processi di rilevanza biologica che danno origine ad un flusso di carica misurabile, di natura capacitiva o faradica, attraverso elettrodi metallici. In particolare, si esamineranno i seguenti argomenti:
(1) Modelli sperimentali di membrane biologiche (le membrane biomimetiche) supportati da metalli saranno caratterizzati ed utilizzati per studiare il trasporto ionico attraverso le membrane biologiche, indotto da peptidi e proteine che formano canali ionici. Bistrati lipidici verranno ancorati alla superficie metallica tramite uno spaziatore idrofilico, allo scopo di creare un ambiente favorevole all’incorporazione di proteine integrali. L’uso del mercurio come supporto impartirà al bistrato >>>

Risultati parziali attesi

I risultati attesi nell’ambito di questo progetto di ricerca sono descritti nella sezione 13 (Articolazione del progetto e tempi di realizzazione). Qui cercheremo di evidenziare il loro contributo all’avanzamento delle conoscenze nell’ambito delle scienze della vita e le loro potenziali applicazioni.
A causa della complessità e molteplicità dele funzioni svolte dalle numerose proteine integrali incorporate in una membrana biologica, si è trovato conveniente incorporare allo stato funzionalmente attivo singole proteine integrali o peptidi che formano canali in modelli sperimentali di membrane biologiche, al fine di isolarli e studiarne la specifica funzione. Questo ha rilevanza non solo per la ricerca di base sulle funzioni delle proteine, ma anche per applicazioni biosensoristiche. Una membrana biomimetica molto versatile, indicata col nome di “tethered bilayer lipid membrane” (tBLM), si ottiene ancorando un monostrato di un particolare “tiolipide”, chiamato DPTL, alla superficie di un elettrodo a goccia stazionaria di mercurio. Il DPTL è costituito da una catena idrofilica tetraossietilenica terminante ad una estremità con un residuo dell’acido lipoico, per permetterne l’ancoraggio al mercurio tramite il suo gruppo disolfuro, e legata covalentemente all’altra estremità a due catene fitaniliche che simulano le catene alchiliche di un lipide. Ancorando un monostrato di tiolipide alla superficie elettrodica ed auto-assemblando su di esso un monostrato lipidico, si >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

A causa della complessità e diversità delle funzioni esplicate dalle molteplici proteine incorporate in una membrana biologica, si è trovato conveniente incorporare singole proteine integrali o peptidi che formino canali, allo stato funzionalmente attivo, in modelli sperimentali di membrana biologica, in modo da poter isolare queste biomolecole e studiarne la funzione. Le potenzialità di questo approccio non riguardano solo la ricerca di base, ma anche applicazioni biosensoristiche. I “tiolipidi”, costituiti da una catena idrofilica (lo “spaziatore” idrofilico) terminante ad una estremità con un gruppo sulfidrilico o disolfuro che ne permetta l’ancoraggio alla superficie metallica e legata covalentemente all’altra estremità ad una molecola lipidica, sono stati auto-assemblati su elettrodi di oro, argento o mercurio [1]. Auto-assemblando un ulteriore monostrato lipidico sul monostrato di tiolipide si ottiene un bistrato lipidico interposto tra la soluzione acquosa e lo spaziatore idrofilico ancorato alla superficie elettrodica. Questa membrana biomimetica è comunemente detta BLM ancorata (tethered BLM, t-BLM) [2]. Il mercurio ha il vantaggio di fornire una superficie facilmente rinnovabile e priva di difetti al film che vi si auto-assembla. Firenze ha esperienza nella preparazione di t-BLMs supportate da mercurio. Sono stati incorporati in t-BLMs supportate da mercurio trasportatori ionici come la valinomicina [3], peptidi in grado di formare canali come la melittina [4] e la >>>