Fisica della materia soffice

Gruppo di ricerca

Achille Giacometti, Professore Ordinario 
Flavio Romano, Professore Associato 
Tatjana Skrbic, Cultrice della materia 

Collaborazioni

University of Kyoto
Università di Padova
Università di Roma La Sapienza
Politecnico delle Marche
Sydney University
Oxford University
Università di Messina
Universidad Autonoma de Madrid

Temi di ricerca

Protein folding

Com’è noto, l’esatto meccanismo molecolare che guida il ripiegamento delle proteine (protein folding) è uno dei problemi fondamentali ancora irrisolti nella biochimica, nonostante gli enormi progressi fatti negli ultimi anni, anche grazie ai moderni metodi teorico-computazionali che spesso guidano gli esperimenti.

Usando tali tecniche, il nostro gruppo studia alcuni aspetti interessanti della termodinamica di questo processo.


Dai polimeri alle proteine

Le proteine sono uno degli elementi fondamentali delle celle biologiche. A livello biochimico, una proteina è un co-polimero formato da una sequenza di residui scelti tra 20 possibili amminoacidi (struttura primaria) che differiscono tra loro per la sola catena laterale (side chain).  Ma quali sono i caratteri distintivi delle proteine rispetto ai polimeri standard? È possibile pensare ad un processo sistematico che li colleghi? Questi ed altri aspetti sono di interesse per il nostro gruppo.


Fasi liquido cristalline nei sistemi biologici

Alcuni sistemi, si ordinano spontaneamente per massimizzare la loro entropia, sfatando in tal modo l’errata identificazione dell’entropia come una misura del disordine. Un famoso esempio di tale sistema è dato dal Tobacco Mosaic Virus (TMV), il primo virus scoperto in assoluto. A livello molecolare, tale virus ha una capside di forma cilindrica, formata da oltre 2000 proteine identiche che rivestono una lunga molecola di RNA. A causa del loro alto aspect ratio, un insieme di TMV in soluzione tendono  ad orientarsi tutti lungo la stessa direzione, pur mantenendo un disordine posizionale, secondo una fase nota come fase nematica

Un’altra classe di virus, molto simile al TMV e nota come fd, ha la caratteristica di essere chirale (a differenza del TMV che non lo è).  A causa di ciò, la fase formata è la fase nematica chirale o colesterica. Nel caso di molecule a forma elicoidale, che sono anch’esse chirali, oltre alla fase colesterica esiste un’altra fase, nota come fase nematica screw, che il nostro gruppo ha studiato in dettaglio.


Condensazione e modellizazione del DNA

Nella forma di doppia elica, il DNA è un polimero carico e poco flessibile. Ciò nonostante, è possibile farlo condensare mediante agenti condensanti, in modo che diversi oligomeri stiano localmente paralleli gli uni agli altri. A causa della loro rigidità, essi formano tipicamente delle fasi toroidali o a bastoncino (come quelle mostrate in figura). Il nostro gruppo ha studiato tale transizione e le condizioni a cui avviene in funzione dei parametric termodinamici e strutturali del sistema.

Usando simulazioni al computer, basate sul modello coarse-grained oxDNA, investighiamo le proprietà termodinamiche e cinetiche di sistemi di DNA sintetico.


Studi dettagliati su sistemi piccoli e grandi

Per sistemi piccoli, oxDNA consente di studiare quantitativamente I profili di energia libera, le velocità e le traiettorie e assemblaggio. L'esempio riportato illustra il rilassamento di un duplex formato da due strand con struttura secondaria molto forte.

Per sistemi più grandi, usando simulazioni su GPU oxDNA consente di studiare la formazione di construtti di molti strand, così come le proprietà meccaniche delle strutture risultanti.


Membrane biologiche per sistemi non acquosi

In biologia le membrane giocano un ruolo fondamentale nel tener separati alcuni ambienti della cella che non devono stare a contatto con l’acqua. A livello molecolare, questo si ottiene usando dei surfattanti, cioè delle molecole con una testa polare (che ama stare in contatto con l’acqua) e una coda idrofobica (che invece non la ama). Quando tante molecole di questo tipo vengono a contatto con l’acqua, tendono ad aggregarsi parallelamente le una alle altre e creare un doppio strato, all’interno del quale l’acqua viene esclusa. Ma cosa succederebbe in un solvente che non sia l’acqua, come potrebbe avvenire in altri pianeti? Il nostro gruppo, in collaborazione con altri gruppi sperimentali di Ca’ Foscari, sta seguendo questo progetto.


Sistemi auto-assemblanti di tipo Janus

Il processo di auto-assemblaggio nel campo dei nanomateriali descrive un fenomeno nel quale nanoparticelle tendono ad autoaggregasi spontaneamente per formare delle strutture ordinate di dimensioni mesoscopiche. L’ obbiettivo e’quello di scegliere le proprieta’delle nanoparticelle in modo tale che tali mesostrutture abbiano delle morfologie predefinite. Uno dei sistemi piu’ promettenti in questo senso sono quelli di tipo “Janus”, il cui nome deriva dal dio romano Giano bifronte, in cui due sottocomponenti di filos differente (ad esempio una idrofobica e l’ altra polare) coesistono nella stessa nanoparticella. Il nostro gruppo e’ stato uno dei piu’ attivi negli ultimi anni nel campo delle simulazioni di tali sistemi.

Last update: 21/04/2021