Bioinformatica per lo studio delle basi molecolari di patologie umane e intolleranze alimentari.

Sito Web: http://bioinformatica.isa.cnr.it

Tematiche di ricerca

Le tematiche di ricerca prevedono lo sviluppo e l’applicazione di strumenti bioinformatici e biocomputazionali in studi sulle basi molecolari di patologie umane, con particolare riferimento alle patologie oncologiche e alle intolleranze alimentari, e più in generale sulle relazioni tra alimenti e salute.

Temi specifici di ricerca sono:

  • i) identificazione di markers molecolari in patologie tumorali mediante analisi di dati sperimentali su larga scala;
  • ii) modellamento e simulazioni molecolari su proteine e molecole di interesse per la comprensione delle basi molecolari di fenomeni biochimici correlati a patologie umane e intolleranze alimentari;
  • iii) studi strutturali su proteine e molecole di interesse biotecnologico;
  • iv) nuovi metodi per l’analisi e la predizione delle proprietà strutturali delle proteine;
  • v) realizzazione di strumenti bioinformatici di ausilio nelle tematiche di ricerca;
  • vi) realizzazione e mantenimento di web server per attività bioinformatiche e per la diffusione dei risultati della ricerca.

Stato dell’arte

Le nuove tecnologie utilizzate nella ricerca biomedica e clinica spingono sempre più i ricercatori di queste aree a raccogliere dati sperimentali da sottoporre ad approfondite analisi per estrarne tutte le informazioni utili alla comprensione dei fenomeni oggetto degli studi o per individuare nuovi metodi di diagnosi e cura. Tali tecnologie, molto utilizzate per l’analisi di pattern di espressione genica e proteica ma in grado di fornire anche altre informazioni, producono dati in quantità sempre maggiore che necessitano di nuovi e più adeguati sistemi bioinformatici non solo per l’archiviazione e consultazione, ma anche e soprattutto per la loro analisi interpretazione, una fase di studio che richiede l’integrazione di tutti i livelli disponibili di conoscenza per arrivare ad una completa comprensione del fenomeno biologico-medico. In questo contesto, è ormai evidente la necessità di adeguati strumenti bioinformatici, così come la definizione di strategie di analisi standardizzate e riproducibili che vanno rese accessibili non solo ai bioinformatici ma a tutta la comunità scientifica attraverso una adeguata azione di diffusione delle competenze.

Competenze, strumentazione, tecniche di indagine e tecnologie

– Competenze (conoscenze possedute dai partecipanti alla commessa rilevanti ai fini del suo svolgimento)

Il responsabile della commessa è responsabile del Laboratorio di Bioinformatica e Biologia Computazionale dell’Istituto di Scienze dell’Alimentazione, sin dal 2001 (inizio delle attività del laboratorio). Il Laboratorio costituisce il principale centro di attività per la Commessa. Le competenze presenti nel laboratorio spaziano su diversi aspetti della bioinformatica, quali la realizzazione e gestione di banche dati, le analisi su sequenze proteiche e di acidi nucleici, il modellamento molecolare di proteine e biomolecole, l’analisi di dati di espressione genica e proteomica. Tali competenze sono comprovate dalle oltre 90 pubblicazioni su riviste internazionali realizzate dal laboratorio dalla sua costituzione ad oggi (2001-2009). Per maggiori dettagli, le competenze e le attività svolte nel laboratorio sono descritte al sito

http://bioinformatica.isa.cnr.it

Altri ricercatori partecipanti alla commessa contribuiscono con competenze multidisciplinari in diversi settori di ricerca (chimica, biochimica, ecc.), necessarie per ottenere una valida integrazione della bioinformatica con le problematiche di tipo sperimentale e/o clinico.

– Strumentazione (dispositivi, apparecchiature o impianti utilizzati per lo svolgimento delle attività)

Strumentazioni informatiche disponibili nel laboratorio di Bioinformatica e Biologia Computazionale dell’Istituto di Scienze dell’Alimentazione sono le seguenti:

  • stazioni grafiche per studi di modellamento e simulazioni molecolari;
  • server multiprocessore per attività di web server e data storage;
  • personal computer e unità periferiche di uso generico (stampanti, scanner, dischi esterni);
  • software specialistico per modellamento, simulazioni molecolari, analisi di dati anche su vasta scala.

Come per gli anni precedenti, la commessa si avvarrà per le proprie attività di ulteriori strumentazioni informatiche disponibili presso altri istituti e centri di ricerca nell’ambito di accordi e collaborazioni. In particolare, saranno disponibili clusters multiprocessori per elaborazioni di calcolo.

– Tecniche d’indagine (metodologie per la comprensione di fenomeni o strutture attraverso l’impiego combinato di competenze e strumentazione)

L’indagine in campo bioinformatico è basata sull’uso combinato di:

  • a) strumentazioni hardware e software selezionate o sviluppate per le specifiche problematiche oggetto di studio;
  • b) adeguate competenze nel loro utilizzo, in campo biologico-chimico-medico, nello sviluppo specifico di nuovi algoritmi mirati ad individuare le strategie di analisi più adatte ai problemi specifici in corso di studio.

In maggior dettaglio, l’indagine strutturale/funzionale su molecole di interesse, quali ad esempio proteine o peptidi, richiede competenze di strutturistica chimica e biochimica, di strumenti computazionali per l’analisi della struttura molecolare e per il modellamento, di metodi per la rappresentazione grafica dei dati e della visualizzazione tridimensionale di molecole. Nel caso dell’analisi dei dati sperimentali di espressione genica, è necessaria l’integrazione di metodi statistici, matematici, grafici, basati sulle potenzialità di software commerciali e open-source, con le conoscenze delle problematiche sperimentali legate all’espressione genica e alla gestione ed utilizzo di tecnologie di studio massivo quali i microarrays.

– Tecnologie (Metodologie di modellazione o di intervento su oggetti e sistemi)

Lo sviluppo di nuovi strumenti software richiederà l’utilizzo delle comuni tecniche di programmazione e per la gestione delle informazioni. Per lo studio di caratteristiche strutturali e funzionali di biomolecole, le metodologie saranno selezionate in base allo specifico sistema sotto indagine: ad esempio, nel caso del modellamento molecolare delle proteine, si potrà utilizzare una strategia di modellamento comparativo, o di modellamento per riconoscimento del fold, oppure di modellamento “ab initio”. Analogamente, per studi di espressione genica su larga scala, si effettua una selezione statistica dei geni significativamente espressi/repressi; i geni selezionati vengono poi analizzati con metodi di “clustering” e metodi grafici vengono usati per una adeguata visualizzazione. Tuttavia può essere necessario utilizzare strategie differenti per ciascuna diversa piattaforma tecnologica, sia per motivi legati alla tecnologia di base (microarrays a singolo canale o doppio canale, numero di repliche presenti per microarrays, presenza di riferimenti interni al microarrays), sia per difficoltà oggettive derivanti dal numero di repliche sperimentali disponibili.

Collaborazioni (partner e committenti)

Sono in corso numerose collaborazioni con gruppi di ricerca, che hanno già prodotto pubblicazioni scientifiche nel corso degli anni. In particolare, il progetto di ricerca “Integrazione delle attività di ricerca attraverso la costruzione di strutture e reti di collaborazione interistituzionale” prevede una specifica attività di “Rete” tra i laboratori di ricerca in campo bioinformatico, con la conseguente costituzione di collaborazioni scientifiche sia per attività di ricerca che per formazione o costituzione di gruppi di lavoro o di studio.

Potenziale impiego

– per processi produttivi

L’impiego potenziale dei risultati delle attività di ricerca può essere ricavato dai risultati ottenuti negli ultimi, riassumibili per il periodo 2007-2009 in circa 50 pubblicazioni peer-reviewed su riviste internazionali. In dettaglio, il potenziale impiego puo’ riguardare la progettazione di molecole peptidiche con attività biologica, la realizzazione di strumenti software per l’analisi di dati sperimentali, la creazione di banche dati contenenti informazioni sperimentali di tipo biomedico, la messa a punto di protocolli di analisi dei dati, software.

– per risposte a bisogni individuali e collettivi

Identificazione di molecole con specifiche funzioni biologiche. Sviluppo di strategie per l’analisi dei dati sperimentali da approcci “omici”. Attività di tipo formativo, mediante l’organizzazione di corsi, convegni, seminari, workshops etc.

Obiettivi

Obiettivo generale è il raggiungimento di nuove conoscenze per la diagnosi e terapia di patologie umane, per la sicurezza alimentare e le applicazioni biotecnologiche, integrando informazioni disponibili e nuovi dati sperimentali, anche mediante lo sviluppo di nuovi strumenti bioinformatici che completino quelli esistenti, secondo strategie di analisi, già standardizzate o da definire, adeguate al problema oggetto di studio.

Gli obiettivi specifici possono essere così elencati:

  • i) analisi di dati di proteomica e di espressione genica per l’individuazione di marcatori di determinati stati patologici (tumori, intolleranze alimentari);
  • ii) modellamento molecolare di proteine e simulazione di fenomeni strutturali e funzionali, incluso lo sviluppo di nuove metodiche per la predizione della struttura secondaria e terziaria delle proteine;
  • iii) integrazione di informazioni in banche dati, e sviluppo di adeguati strumenti bioinformatici per l’interrogazione;
  • iv) definizione di nuove strategie di analisi dei dati sperimentali e realizzazione di strumenti bioinformatici di supporto;
  • v) diffusione della conoscenza nel campo bioinformatico mediante l’organizzazione di convegni, corsi, ecc.