Foto del docente

Gastone Castellani

Professore ordinario

Dipartimento di Medicina Specialistica, Diagnostica e Sperimentale

Settore scientifico disciplinare: FIS/07 FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA)

Temi di ricerca

Parole chiave: Modelli fisici e matematici di funzioni biologiche Statistica biologica Biofisica Grafi Misure Biioeletriche di corrente e potenziale

La Biofisica degli acidi nucleici sarà investigata tramite misure effettuate dai gruppi sperimentali con i quali collaboriamo. Le misure si dividono in due categorie: misure di espressione genica e misure del grado di folding del DNA cromatinico. Il nostro gruppo ha messo a punto un metodo innovativo e originale per l'analisi delle serie temporali di espressione genica detto “correlazione multiscala con conoscenza biologica a priori” e lo sta estendendo alle misure di folding cromatinico. La Biofisica cellulare è affrontata sia da un punto di vista teorico ( Systems Biology) che sperimentale (patch clamp e imaging molecolare). A questo scopo è in funzione una stazione completa per misure di attività elettrica cellulare ed è in allestimento un dispositivo per misure di biofotonica. La memoria cellulare è studiata attraverso l'estensione ad altri tipi cellulari di un modello biofisico da noi formulato per la memoria neuronale.

Biofisica degli acidi nucleici La ricerca sulla biofisica degli acidi nucleici ha ricevuto, negli ultimi anni, un grande impulso dalle tecnologie di Biologia Molecolare cosiddette “High Throughput ” che consentono la misura simultanea dell'attività di migliaia di geni. Allo stato attuale, queste tecnologie consentono di misurare le attività di tutti i geni nei vari genomi di importanza medico-biologica (uomo, topo, ratto, drosophila, c.elegans etc) poiché questi genomi sono stati completamente sequenziali. A causa dell'elevata massa di dati sperimentali, sono particolarmente richiese tecniche di analisi dati e di modelling che consentano di rappresentare in maniera sintetica queste informazioni. Il nostro gruppo, in collaborazione con vari gruppi sperimentali, ha messo a punto una tecnica originale e innovativa per la ricostruzione di network genetici a partire da serie temporali di espressione genica. In particolare abbiamo mostrato che un metodo detto “correlazione multiscala con conoscenza biologica a priori” risulta essere molto più efficiente dei metodi Markoviani per la ricostruzione dei network genetici. Infine, i network così ottenuti sono analizzati attraverso la tecnica dei “Complex Networks” che consentono una discriminazione topologico-funzionale fra diversi stati cellulari (basale, patologico, differenziativi, ecc). Si prevede di esportare queste tecniche all'analisi di una nuova generazione di arrays, detti Tiling array che danno informazioni sullo stato di coiling della cromatina attraverso legami con molecole specifiche (ad esempio fattori di trascrizione). Biofisica cellulare Attualmente il nostro gruppo è impegnato in attività di “Systems Biology” che praticamente consistono nella rappresentazione dinamico-matematica delle funzioni cellulari. Un esempio tipico di questo approccio è rappresentato dalla via di signalling del calcio che traduce i segnali esterni alla membrana cellulare attraverso il citoplasma fino al nucleo. Vale la pena di ricordare che il nostro gruppo ha fondato, assieme a gruppi del CNR e dell'Università di Milano Bicocca una società scientifica denominata "Systems Biology and Medical Informatics Network (SysBioMedNet) “ con lo scopo di promuovere la ricerca, la formazione e l'innovazione in questo settore interdisciplinare. Il tema su cui il nostro gruppo è maggiormente impegnato è quello della rappresentazione dinamica dei networks biologici attraverso tecniche fisico-statistiche come quella dei Complex Networks. Misure di attività bioelettriche La tecnica del “Patch Clamp” è una tecnica biofisica molto raffinata per lo studio dell'attività dei canali ionici messa a punto, nel suo assetto definitivo negli anni 1980 dal fisico tedesco Erwin Neher, insignito per questo del premio Nobel. Il canale ionico è una macromolecola proteica con un poro ( il cui diametro è dell'ordine dei nm) che consente la permeazione selettiva di ioni (Calcio, Sodio, Potassio, Cloro, etc) nella cellula. Si originano così delle correnti ioniche dette “flussi ionici” che risultano presenti in tutti i tipi cellulari dove mediano funzioni fondamentali quali l'omeostasi e l'eccitabilità elettrica (comunicazione neuronale e contrazione muscolare). “Patch Clamp“ consiste nell' imporre ad un tratto di membrana (patch) un voltaggio definito (voltage clamp) e misurarne il flusso di corrente. Queste correnti,dell'ordine dei pA, possono essere misurate con il “Patch Clamp” previa la formazione di un “sigillo” (Gigaseal) ad alta resistenza (dell'ordine dei GigaOhm) fra una micropipetta di vetro opportunamente forgiata e la membrana cellulare. Vale la pena di ricordare che le correnti ioniche, misurabili anche a livello di singolo canale ionico, sono importanti per tutte le cellule dove modulano un insieme molto ampio di risposte cellulari che vanno dall'invecchiamento all'insorgenza di tumori, fino ai fenomeni di memoria e di apprendimento. Il nostro gruppo attualmente si occupa della variazione nelle correnti ioniche in seguito a perturbazioni fisiche e/o biologiche ( shock waves, tempo). Di particolare rilevanza è il risultato, da noi acquisito, della variazione delle correnti ioniche in funzione dell'età su una scale dei tempi da 0 a 100 anni. Biofotonica e misure di espressione genica: stiamo allestendo un dispositivo per misure di fluorescenza in vivo (cellulari) con lo scopo di correlarle a variazioni di attività genetica e nucleare. Memoria cellulare: il nostro gruppo ha un'attività “storica” sui modelli di apprendimento neuronale, che è culminata con l'ideazione di un modello biofisico per la memoria e l'apprendimento a livello di singola sinapsi. Negli ultimi anni abbiamo esteso questo modello ad altri sistemi cellulari che esibiscono capacità “mnemoniche” e di apprendimento quali il sistema immunitario e il sistema detto “heat shock proteins” che presiede alle risposte ad agenti stressogeni.