Complessità nei Sistemi Biologici: Biofisica, Plasmi e Materia Soffice
La biofisica si dedica all'applicazione dei principi e dei metodi della fisica a problematiche di natura biologica. Il suo scopo è descrivere un organismo come un sistema fisico, sviluppare modelli per spiegare l'origine della vita o comprendere il funzionamento e l'evoluzione dei sistemi viventi. Questi rappresentano solo alcuni degli interrogativi affrontati dalla biofisica moderna.
Per lungo tempo, i metodi fisici tradizionali applicati ai sistemi biologici, seguendo l'approccio riduzionistico, hanno introdotto semplificazioni così drastiche da ostacolare una rappresentazione efficace dei sistemi viventi. I sistemi viventi sono infatti strutture complesse, costituite da numerose parti interconnesse. La complessità si definisce come la proprietà che impedisce di prevedere il comportamento di un sistema basandosi unicamente sulle caratteristiche delle sue singole componenti, un concetto riassunto nella celebre affermazione: "il tutto è maggiore della somma delle parti". Non si tratta di una limitazione dovuta alla mancanza di informazioni sulle parti costitutive; anche conoscendo perfettamente la struttura interna, non sarebbe possibile determinarne con esattezza il comportamento complessivo. La ragione risiede nel tipo di interazione tra gli elementi, detta non lineare: le parti del sistema non possono essere studiate isolatamente, poiché la loro evoluzione dipende dalle reciproche interazioni.
Sistemi di questo tipo manifestano tipicamente comportamenti emergenti, ovvero proprietà caratteristiche del solo sistema globale che non sono riconducibili a quelle dei singoli componenti. Ad esempio, il colore di un corpo non è una proprietà intrinseca dei suoi costituenti fondamentali (protoni, neutroni ed elettroni).
Modelli di Sistemi Complessi: Reti Autocatalitiche
Un modello esemplare di sistema complesso è costituito dalle reti autocatalitiche. Queste reti sono formate da diverse entità interagenti, dove la formazione di ciascuna entità è catalizzata (cioè facilitata) da altre entità presenti nella rete. Il concetto di rete autocatalitica è stato sviluppato per spiegare il passaggio da un insieme di molecole inanimate ai primi organismi viventi.
Una delle teorie sull'origine della vita suggerisce che essa si basi su semplici molecole organiche capaci di aggregarsi efficacemente, innescare reazioni chimiche tipiche dei sistemi viventi e formare così strutture più complesse. Le diverse molecole possono essere quindi rappresentate come entità di una rete autocatalitica, e le reazioni chimiche come le interazioni tra queste entità. In questo contesto, la capacità dei sistemi viventi di produrre efficacemente tutte le proprie parti (self-reproduction) diventa una proprietà emergente del sistema: una volta formate tutte le molecole della rete, si innescano reazioni che ne sostengono la continua produzione.
Le connessioni delle reti autocatalitiche potrebbero dunque rappresentare uno degli elementi fondamentali per la nascita dei primi organismi da un insieme "disordinato" di molecole. Come spesso accade nella teoria dei sistemi complessi, modelli nati per spiegare un fenomeno fisico trovano poi applicazione in numerosi ambiti diversi.
Applicazioni delle Reti Autocatalitiche: Ecosistemi e Biodiversità
Un ecosistema è composto da una vasta quantità di elementi, viventi e non, in interazione tra loro. L'equilibrio dell'ecosistema e la sopravvivenza delle sue parti dipendono proprio da queste interazioni, la cui complessità rende spesso difficile prevedere le reazioni del sistema ai cambiamenti ambientali o all'estinzione di una specie. Per descrivere il comportamento globale di un ecosistema, l'ecologia ha attinto fin dall'inizio a concetti propri della fisica, assumendo che gli ecosistemi siano analizzabili attraverso lo studio di variabili come massa ed energia, o che la loro evoluzione segua leggi di conservazione.
Considerare gli ecosistemi come reti autocatalitiche offre una possibile strada per descriverne l'evoluzione temporale e la complessità. In questo modello, gli elementi della rete sono le specie dell'ecosistema, e le interazioni corrispondono, ad esempio, ai trasferimenti di biomassa ed energia che avvengono quando gli individui di una specie vengono predati da quelli di un'altra. La catalizzazione trova un'equivalenza ecologica in meccanismi di facilitazione come le interazioni simbiotiche, l'impollinazione o la creazione di rifugi da parte di una specie per un'altra.
Le api, nutrendosi del nettare dei fiori, attuano un'interazione che trasferisce nutrienti ed energia tra specie. Inoltre, api e alberi facilitano reciprocamente la sopravvivenza e lo sviluppo: gli alberi offrono rifugi sicuri per gli alveari, mentre le api contribuiscono alla riproduzione degli alberi tramite l'impollinazione.
L'applicazione delle reti autocatalitiche all'ecologia consentirebbe di studiare quantitativamente la capacità di un ecosistema di mantenersi in base alle risorse ambientali e di prevedere le conseguenze dell'estinzione di una specie sulla sopravvivenza delle altre. Il modello produce due importanti previsioni:
- Effetti catastrofici dovuti all'estinzione di una singola specie: nel caso dell'ecosistema api-alberi, una diminuzione degli alberi dovuta al disboscamento potrebbe generare effetti a cascata sulle api.
- Crescita della biodiversità: se un ecosistema api-alberi può attrarre uccelli, aumentando naturalmente la sua biodiversità, la scomparsa di una specie impedisce questa potenziale espansione.
L'impatto umano agirebbe quindi su due livelli: uno concreto e uno potenziale.
La Complessità come Obiettivo di Ricerca Interdisciplinare
Un elemento fondamentale di quest'area di ricerca è la creazione di un nuovo tipo di comunità scientifica che integri discipline apparentemente distanti. L'ampio spettro di competenze degli istituti operanti consente di realizzare ricerche sia di base che applicative in settori di grande rilievo per la competitività.
Lo sviluppo di nuove metodologie e tecnologie permette l'esplorazione di nuovi aspetti dei problemi biologici e offre un percorso di introduzione per giovani scienziati con formazione in fisica, chimica, ingegneria, matematica e informatica nel mondo delle scienze della vita. Le competenze complementari permettono di affrontare le problematiche con metodi di modellistica teorica e computazionale, nonché con lo sviluppo di tecniche sperimentali che collegano modelli teorici all'analisi e alle applicazioni in sistemi reali. La multidisciplinarietà garantisce una notevole potenzialità di ricadute in diversi ambiti.
L'obiettivo generale di quest'area progettuale è l'avanzamento della conoscenza nel campo della complessità, che include la complessità economica, le neuroscienze, le scienze sociali, la biofisica dei sistemi complessi, la materia soffice condensata e i sistemi biologici a tutte le scale.
Lo studio della complessità riguarda l'emergere di proprietà collettive in sistemi con un gran numero di componenti interagenti. Questi componenti possono essere atomi, cellule, tessuti e organi in un contesto fisico o biologico, oppure persone, macchine o imprese in un contesto economico. La scienza della complessità mira a scoprire i presupposti e il comportamento emergente dei sistemi, elementi spesso invisibili agli approcci meccanicistici tradizionali. I temi sono affrontati con una metodologia interdisciplinare che supera l'approccio riduzionistico, introducendo nuovi parametri per quantificare il grado di complessità di un sistema e rivelare correlazioni tra sottosistemi a scale diverse.
Biofisica dei Sistemi Complessi: Un Ponte tra Fisica e Scienze della Vita
La parte "bio" del progetto funge da ponte tra il mondo della fisica e quello delle scienze della vita. La biofisica moderna è un campo altamente interdisciplinare e in rapida evoluzione, incentrato sullo studio di sistemi biologici per comprendere i meccanismi alla base della vita a livello molecolare, cellulare e sistemico, nonché la loro interazione con materiali e nanostrutture, utilizzando concetti e metodi della fisica, con il supporto di chimica, biologia, matematica, ingegneria e informatica.
Le forti collaborazioni con centri di ricerca e università straniere, sia autofinanziate che supportate da finanziamenti esterni, consentono di ottenere risultati di ricerca significativi, come pubblicazioni su riviste ad alto impatto e un posizionamento strategico nella competizione per nuove risorse finanziarie. I rapporti consolidati con il mondo accademico sono evidenti nell'acquisizione di numerosi finanziamenti ministeriali (FIRB, PRIN, SIR) e regionali (POR, FESR, FAS), condotti congiuntamente con gruppi universitari.
Gli ambiti disciplinari delle collaborazioni principali ricadono nei settori della salute, dei beni culturali, della scienza dei materiali e delle applicazioni informatiche. Programmi di ricerca nelle scienze della vita gestiti da fondazioni private nazionali hanno visto una forte partecipazione di gruppi di ricerca dell'area, che si sono aggiudicati importanti finanziamenti pluriennali.
Numerosi sono anche i legami con l'industria e le PMI finalizzati al trasferimento tecnologico, con particolare interesse nei settori agroalimentare, cosmetico, sviluppo di tecnologie innovative in microscopia a scansione, neurotossicità, gestione di reti informatiche e trasporto di energia.
Aree di Ricerca Avanzata e Tecnologie Innovative
Nel DSFTM sono organizzati gruppi di ricercatori per l'analisi di "Big Data" applicati al "Crisis forecasting" in ambito economico, all'epidemiologia, alla fisica di base, alla fotonica, e al particle tracking per applicazioni al traffico e problemi di "flocking", utilizzando infrastrutture di calcolo parallelo come il CINECA.
Nell'ambito della scienza dei materiali, i ricercatori sono impegnati nella progettazione e ideazione di strumentazioni e tecniche per biosensori e per esperimenti presso ESS e ISIS.
Alcuni gruppi rappresentano un punto di riferimento internazionale per le scienze della vita, includendo la comprensione dei meccanismi molecolari alla base di malattie genetiche e non-genetiche causate da difetti nel trasporto ionico delle membrane, l'optogenetica, le applicazioni biomediche della fotonica, le applicazioni farmacologiche per radioterapie, per malattie genetiche e diffuse, lo sviluppo di protesi uditive, la comprensione dei meccanismi delle malattie neuronali e dei meccanismi patologici correlati con alterazioni delle proteine, la comprensione dei meccanismi di rigenerazione tissutale utilizzando organismi modello invertebrati, lo studio dell'impatto tossico di nanomateriali sulla salute umana e sull'ambiente; l'uso di tossine e peptidi, biosensori fluorescenti, la protezione dell'ambiente marino, le malattie degenerative per aggregazione proteica, la tipicità e il miglioramento di prodotti vegetali e l'uso di vegetali nella fito-decontaminazione, la microscopia non lineare in vivo e la produzione di standard molecolari per la calibrazione di tecnologie ultrasensibili per marker tumorali, la fabbricazione e caratterizzazione elettrochimica di array di nanoelettrodi su substrato funzionalizzato con sonde per il riconoscimento molecolare per la biomedicina.
Temi di Ricerca Specifici:
- Nuove tecniche di "crisis forecasting".
- Nuovi modelli sperimentali e teorici per la trasmissione sinaptica e per la caratterizzazione dei comportamenti collettivi di neuroni.
- Materiali soffici compositi, studi teorici e sperimentali.
- Proprietà dei vetri a bassa temperatura in sistemi finito-dimensionali.
- Fotonica dei sistemi complessi.
- Emissione laser e propagazione ottica in materiali disordinati per applicazioni bio-mediche.
- "Swarming" nel comportamento animale.
- Reti multilivello con applicazioni alla distribuzione elettrica o all'epidemiologia.
- "Materia quantistica": nuovi materiali come il grafene e i materiali a bassa dimensionalità.
Ricerca Molecolare e Cellulare:
- Meccanismi molecolari e cellulari del trasporto ionico delle membrane, misure e simulazioni multi-scala per la diffusione intracellulare, farmacologia molecolare, lipodonica, studio biofisico della meccano-biologia, processi molecolari della fotosintesi, danneggiamento da radiazione su basi di DNA e meccanismi di radiosensibilizzazione per applicazioni in radioterapia, spettroscopia elettronica e di massa e modelli computazionali di biomolecole; struttura di macromolecole biologiche; biofisica delle membrane e loro interazione con tossine e peptidi, nuovi sensori fluorescenti per utilizzo intracellulare, nanoscopie ottiche con super-risoluzione, nuovi metodi di indagine di singola molecola (es: spettroscopia di correlazione), imaging intravitale a due fotoni, biofisica ambientale, biofisica dell'espressione genica e della traduzione proteica e del controllo traduzionale, e processi di aggregazione delle proteine.
- Studio delle interazioni nanomateriali-organismi viventi, nanotossicologia, embriotossicologia.
- Misure e simulazioni multi-scala per la diffusione intracellulare, processi plasmo chimici su materiale biologico come cellule e terreni di coltura per la rigenerazione di tessuti o organi danneggiati.
- Interazioni tra nanomateriali e sistemi biologici.
- Progettazione di nanomateriali per la medicina, e di dispositivi in grafene per la crescita di tessuti.
- Studio di fenomeni piroelettrici, piezoelettrici e fotorifrattivi integrati su materiali biocompatibili, per piattaforme innovative nel settore della morfogenesi cellulare.
- Studio della "architettura" della materia e della natura.
Materiali Complessi e Fisica Teorica:
- Materiali complessi: nuovi semiconduttori e biosensori, ottica non lineare, immagazzinamento dell'idrogeno, materiali ferroelettrici e conduttori ionici, sistemi vetrosi ed i vetri di spin, sistemi granulari e lo studio delle fratture.
- Reti multi-livello e applicazioni.
- Fisica teorica della complessità e di base.
Ricerca Clinica e Applicativa:
- Meccanismi molecolari del danneggiamento da radiazione, delle malattie genetiche e non-genetiche dai difetti del trasporto ionico nelle membrane.
- Applicazioni farmacologiche per radioterapie nella cura dei tumori, per malattie genetiche e diffuse (metodi sperimentali e computazionali), applicazioni in medicina ed ingegneria tissutale delle nanoscienze e delle tecnologie litografiche su materia soffice.
- Meccanismi delle malattie neuronali e i meccanismi patologici correlati con alterazioni delle proteine.
- Malattie degenerative che coinvolgono l'aggregazione proteica.
- Ricerca di nuovi farmaci e lo studio del loro meccanismo molecolare.
- Studio dell'organizzazione sovrastrutturale di RNA e proteine e loro ruolo nel controllo traduzionale.
- Strumenti per l'optogenetica e protesi uditive, dispositivi fotovoltaici per fotosintesi, tossine e peptidi per applicazioni nano-tecnologiche, biosensori luminescenti e micro/nanoimaging per indagini intracellulari ed in tessuti, protezione dell'ambiente marino, miglioramento di prodotti vegetali e nella fito-decontaminazione.
Video promozionale del CdS Scienza dei materiali
Bandi di Concorso e Aree di Specializzazione
Il testo menziona specifici progetti e bandi di concorso, come "SI DRIVE - Silicon Alloying Anodes for High Energy Density Batteries comprising Lithium Rich Cathodes and Safe Ionic Liquid based Electrolytes for Enhanced High VoltagE Performance" e vari bandi pubblicati sul sito del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) per la copertura di posti di ricercatore. Questi bandi coprono un'ampia gamma di discipline, tra cui:
- Cambiamento globale
- Osservazione della Terra
- Rischi naturali e impatti antropici e tecnologie per l'ambiente
- Risorse naturali ed ecosistemi
- Agricoltura, ambiente e foreste
- Biologia, biotecnologie e biorisorse
- Produzioni alimentari e alimentazione
- Chimica e materiali per la salute e le scienze della vita
- Chimica e tecnologia dei materiali
- Chimica verde
- Atomi, fotoni e molecole
- Materia condensata
- Micro-nanoelettronica, sensoristica, micronanosistemi
- Sistemi complessi, plasmi, materia soffice, biofisica
- Biomedicina cellulare e molecolare
- Fisiopatologia
- Genetica
- Neuroscienze
- Informatica
- Ingegneria dei sistemi e delle comunicazioni
- Ingegneria industriale e civile
- Matematica applicata
- Patrimonio storico-culturale
- Società, economia e istituzioni
- Storia, scienze e tecnologie della conoscenza.
Un'area di particolare interesse è quella relativa allo studio di molecole formate da un gran numero di atomi, con l'obiettivo di individuare meccanismi generali alla base di processi biologici, come il funzionamento delle macchine molecolari, la comunicazione neuronale e l'utilizzo dell'energia solare da parte delle piante.
Un'altra area di studio riguarda sostanze come colloidi, soluzioni polimeriche, emulsioni e schiume, che non rientrano nelle categorie tradizionali della materia condensata (solido, liquido, gassoso). Gli studi si concentrano sulla struttura, dinamica e proprietà funzionali di sistemi proteici e di membrana, con applicazioni che spaziano dalle scienze alimentari alla biotecnologia, dalla biomedicina alla farmaceutica.
Le ricerche coprono anche la struttura e la dinamica di sistemi nanostrutturati e disordinati, in particolare amorfi e/o a bassa dimensionalità come superfici e interfacce, con applicazioni in ambiti quali scienze alimentari, biotecnologia, biomedicina e farmaceutica.
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