Un affascinante fenomeno che riguarda molte molecole organiche, e tra queste molte biomolecole, è la loro capacità di formare spontaneamente strutture ordinate. Questo processo, che prende il nome di self-assembly, dà luogo ad una stupefacente ricchezza di strutture di diversa dimensionalità, determinate dal bilancio tra energia ed entropia.

Membrane biomimetiche

La membrana cellulare è un involucro sottilissimo, dello spessore di pochi nanometri, che svolge una funzione di barriera tra la cellula e l’ambiente esterno. Lo scambio di informazioni o materiale tra la cellula e il suo ambiente esterno è regolato dalla membrana stessa. Un gran numero di molecole biologiche contribuisce al funzionamento della membrana, ma la sua struttura di base è un doppio strato lipidico. Modelli di membrana lipidica, realizzabili sperimentalmente sfruttando il processo di self-assembly, sono uno strumento fondamentale per osservare i processi che coinvolgono la matrice lipidica della membrana.
Utilizziamo la microscopia e la spettroscopia in fluorescenza o a forza atomica per studiare processi fisiologici e patologici non ancora pienamente compresi come la fusione di membrane, o la permeabilizzazione indotta da agenti esterni, naturali o artificiali, come ioni, molecole associate a patologie o di interesse farmacologico, nanoparticelle. Siamo inoltre in grado di ottenere informazioni sulle proprietà strutturali e meccaniche delle membrane e su loro eventuali cambiamenti indotti da agenti esterni.

Biosensori

Le nuove tecnologie legate allo sviluppo di biosensori fanno sempre più uso di sistemi ibridi in cui molecole biologiche sono accoppiate a superfici inorganiche: si pensi ai “microarray” usati nell’analisi di DNA e proteine o ai sensori basati su particelle colloidali d’oro. La funzionalizzazione di superfici inorganiche, quali metalli o ossidi, mediante biomolecole permette di realizzare interfacce ibride bio/inorganiche che presentano le proprietà funzionali tipiche delle biomolecole depositate. Il self-assembly di biomolecole su superfici è un processo complesso che dipende dal bilancio delle interazioni molecole/molecola, molecola/superficie e molecola/solvente. Lo scopo della nostra attività è la comprensione dei meccanismi di interazione tra biomolecole e superficie per realizzare piattaforme selettive che, sfruttando le proprietà di riconoscimento molecolare proprie di biomolecole quali filamenti di DNA o proteine, siano in grado di riconoscere in modo specifico particolari biomarker, sovraespressi, ad esempio, nel caso di alcune patologie.

Biomateriali

Un ulteriore filone di ricerca che rientra nella tematica biomolecole/superfici riguarda lo studio di superfici di ossidi metallici micro/nano-strutturati, interessanti in ambito biomedico per lo sviluppo di materiali per impianti protesici. Due proprietà importanti per i materiali protesici sono la resistenza all’adesione batterica e la capacità di promuovere l’osteointegrazione. Tale attività è quindi focalizzata sulla preparazione di film di ossidi di metalli di transizione porosi e sulla loro funzionalizzazione mediante opportune molecole organiche/biomolecole che promuovano le proprietà antibatteriche e l’osteointegrazione del biomateriale.