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L’EFFETTO FLIPPER DEGLI ATOMI ESPOSTI AI RAGGI X: ALCUNI VETRI DIVENTANO FLUIDI

Lo studio pubblicato su «PNAS» dal team di ricerca guidato dall’Università di Padova mostra, per la prima volta, come gli atomi di alcuni vetri, esposti a raggi X, si spostano in risposta a tante piccole “molle cariche” che si accendono in maniera casuale nel materiale. L’effetto medio è che gli atomi si muovono con una serie di accelerazioni improvvise, un po’ come biglie in un flipper. La ricerca mostra una possibile nuova strategia per modificare, e dunque alla fine controllare, le proprietà fisiche dei vetri.

Un vetro può essere realizzato raffreddando rapidamente un liquido – si pensi ad un comune oggetto di vetro ottenuto per raffreddamento del fuso. In conseguenza di questa procedura, nello stato vetroso gli atomi si trovano in una forma disordinata, come in un liquido. A differenza di quest’ultimo, però, la loro configurazione resta pressoché fissa, vale a dire che gli atomi sono vincolati alla loro posizione di equilibrio e possono spostarsi all’interno del materiale solo in tempi estremamente lunghi (comunque troppo estesi anche per un osservatore molto paziente). Recentemente si è rilevato che, esponendo i vetri a un fascio di raggi X di intensità sufficiente, è possibile indurre spostamenti degli atomi all’interno dei vetri: sottoposti ai raggi X i vetri fluiscono, come i liquidi.

L’origine di questo fenomeno è ancora dibattuta e la ricerca dal titolo “Stochastic atomic acceleration during the X-ray-induced fluidization of a silica glass” pubblicata su «PNAS», nata da una collaborazione del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova con Istituto di Fisica dell’Università di Amsterdam, centro di ricerca DESY di Amburgo e Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, getta nuova luce su come gli atomi, esposti a raggi X, possano spostarsi all’interno della struttura disordinata del vetro su distanze altrimenti irraggiungibili in tempi così brevi.

«Con una serie di misure eseguite con una tecnica nota come spettroscopia di correlazione di fotoni X (XPCS) e realizzate nel sincrotrone PETRA III del centro di ricerca DESY ad Amburgo – afferma Francesco Dallari, ricercatore post-doc del Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Università di Padova –  è stato possibile tracciare questi spostamenti a partire dalla scala interatomica che è dell’ordine dell’angstrom, pari ad un decimilionesimo di millimetro, fino a distanze di svariate centinaia di angstrom, per intenderci della dimensione di un coronavirus».

Francesco Dallari
Francesco Dallari

La dinamica osservata segue le leggi di quello che viene definito “iper-trasporto”, ossia un tipo di moto dove la distanza percorsa dagli atomi aumenta col passare del tempo più rapidamente non solo di quanto non avvenga in una semplice diffusione (si pensi ad una goccia di caffè che si estende in una tazza di latte) ma addirittura di quanto non avvenga quando una particella si muove a velocità costante in una certa direzione.

«In pratica – spiega il Professor Giulio Monaco del Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Università di Padova – i raggi X che raggiungono il vetro generano dei difetti all’interno del materiale. Questi inducono dei campi di forza che si comportano come delle molle compresse che a loro volta spostano gli atomi vicini fino a distanze dell’ordine di centinaia o migliaia di angstrom».

Giulio Monaco atomi flipper
Giulio Monaco

Quando, dopo un sufficiente irraggiamento, questi difetti diventano densi (abbastanza numerosi), gli atomi si spostano in risposta a tante piccole molle cariche che si “accendono” in maniera casuale nel materiale. L’effetto medio è che gli atomi si muovono con una serie di accelerazioni improvvise, un po’ come palline in un flipper: una traiettoria caratterizzata da tanti spostamenti brevi intervallati da spostamenti sorprendentemente lunghi seguendo una distribuzione di probabilità nota come distribuzione di Lévy.

Questo tipo di distribuzione di spostamenti è osservata in una classe di situazioni molto diverse fra loro: dalla materia interstellare accelerata da campi magnetici distribuiti in maniera casuale, fino alle migrazioni di animali o al trasporto di persone.

Le particelle, quindi, si muovono eseguendo piccoli passi e spostandosi di poco, ma hanno sempre una certa probabilità di eseguire improvvisamente un salto estremamente lungo che le trasporta in una nuova regione dello spazio dove eseguono di nuovo piccoli passi per poi spostarsi nuovamente in un’altra regione completamente diversa. Per analogia si può pensare ad un turista: visita una città muovendosi a piedi, poi prende un aereo, cambia nazione e metropoli e ricomincia a spostarsi a piedi. Questo tipo di dinamica è stata osservata, come si è detto, in molti sistemi su scale estremamente disparate, ma viene osservata, come riportato dallo studio, per la prima volta in un sistema compatto come un vetro per effetto di forze interatomiche.

Questa ricerca mostra dunque una possibile nuova strategia per modificare, e dunque alla fine controllare, le proprietà fisiche dei vetri.

Link alla ricerca: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2213182120

Titolo: “Stochastic atomic acceleration during the X-ray-induced fluidization of a silica glass” – «PNAS» 2023

Autori: Francesco Dallari, Alessandro Martinelli, Federico Caporaletti, Michael Sprung, Giacomo Baldi, Giulio Monaco

Testo e immagini dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Padova

IL SALTO DELL’ACQUA – Pubblicato sulla rivista «Nature Communications» lo studio dell’Università di Padova che evidenzia che i corsi d’acqua montani rilasciano grandi quantità di gas serra in atmosfera.

Quando si parla di cambiamento climatico, il primo pensiero va alle emissioni di gas serra prodotte da attività antropiche e in particolare dai combustibili fossili. E se invece una parte considerevole di questi gas derivasse da una sorgente inaspettata come l’acqua? È quanto ha rilevato un gruppo di ricercatori dell’Università di Padova nello studio dal titolo “Steps dominate gas evasion from a mountain headwater stream” pubblicato su «Nature Communications», svolto nell’ambito del progetto europeo “DyNET: Dynamical River Networks” e coordinato dal prof. Gianluca Botter del dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale (ICEA).

Pochi sanno che – a scala regionale e globale – un rilevante quantitativo di anidride carbonica (circa 12 miliardi di quintali di carbonio all’anno, corrispondenti a oltre il 10% del totale) viene emesso in atmosfera dai fiumi, primi fra tutti i piccoli corsi d’acqua che solcano le regioni montane nel loro scorrere incessante verso il mare e gli oceani. I torrenti montani, infatti, risultano spesso sovrasaturi di CO2 e hanno una significativa capacità di scambio con l’atmosfera in ragione dell’elevata turbolenza della corrente idrica.

Il salto dell'acqua
i corsi d’acqua montani rilasciano grandi quantità di gas serra in atmosfera

Lo studio dell’Università di Padova ha però mostrato che le stime esistenti dei quantitativi di anidride carbonica rilasciati dalle acque dolci terrestri verso l’atmosfera potrebbero essere largamente sottostimate, poiché non hanno fino ad ora considerato in modo esplicito le emissioni localizzate in corrispondenza dei salti di fondo presenti nei torrenti montani. Nello specifico, i ricercatori hanno analizzato la Svizzera perché ricca di corsi d’acqua montani e perché soggetta a studi precedenti, quindi facile oggetto di confronto.

«Attraverso la ricerca abbiamo osservato che il frangimento del getto indotto dalle brusche discontinuità nella quota dell’alveo induce un significativo rilascio localizzato di gas in atmosfera favorito dalle bolle d’aria e dalla schiuma – le cosiddette “white waters” – che si formano a valle di ciascun salto. Le analisi svolte – afferma Gianluca Botter, primo autore dello studio – hanno sorprendentemente evidenziato che le emissioni gassose in corrispondenza dei salti di fondo sono in genere maggiori delle emissioni che avvengono in tutte le restanti parti del corso d’acqua, ossia in tutti i lunghi tratti continui senza salti che i fiumi incontrano nel loro complesso percorso verso il mare».

Gianluca Botter
Gianluca Botter

L’applicazione a scala regionale di questa scoperta ha dimostrato che, se si ricalcolasse la quantità di anidride carbonica emessa in atmosfera dai fiumi tenendo conto delle emissioni gassose in corrispondenza dei salti di fondo, la massa di CO2 evasa attraverso la totalità dei corsi d’acqua montani della Svizzera potrebbe aumentare da 3.5 fino a 9.6 kgC/m2/anno, quasi tre volte tanto le stime attuali.

Il risultato mette in discussione anche le stime esistenti a livello globale riguardanti le emissioni di CO2 dai corpi d’acqua dolce e pone nuove basi per lo studio del delicato equilibrio dei gas serra in atmosfera e del complesso ciclo del carbonio del nostro pianeta.

Link alla ricerca: https://www.nature.com/articles/s41467-022-35552-3

Titolo: Steps dominate gas evasion from a mountain headwater stream – «Nature Communications» – 2022

Autori: Gianluca Botter, Anna Carozzani, Paolo Peruzzo e Nicola Durighetto

Link al progetto europeo: https://www.erc-dynet.it/

Testo e immagini dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Padova

RNA IN TRIPLA ELICA E INFORMAZIONI GENETICHE 

Per la prima volta è stato dimostrato l’effetto delle strutture a tripla elica sia sullo spegnimento che sull’accensione dei geni.

Pubblicata su «Nucleic Acids Research» la ricerca di un team internazionale guidato dal Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione dell’Università di Padova

Le molecole che immagazzinano e trasmettono l’informazione genetica, gli acidi nucleici DNA e RNA, sono polimeri lineari che si trovano comunemente nelle cellule nella forma a singolo filamento o in duplex (doppio filamento ad elica). Nonostante tali polimeri possano assumere altre geometrie come il triplex (tre filamenti) o il quadruplex (quattro filamenti), le funzioni biologiche di queste architetture alternative rimangono tuttora poco note. In particolare i triplex “ibridi” sono strutture a tripla elica composte da un duplex di DNA o RNA e un singolo filamento di un altro acido nucleico e sembrano coinvolti in meccanismi regolatori.

Le strutture a tripla elica ibride sono oggetto di intensi studi che riguardano in particolare i “long non-coding RNA” (lncRNA), RNA a singolo filamento non codificanti proteine, e che sembrano essere coinvolti nella regolazione di geni specifici proprio con un meccanismo di inibizione o stimolo della trascrizione che coinvolge strutture a tripla elica.

Lo studio condotto da Alessandro Cecconello del team di ricerca internazionale italo-tedesco composto dall’Università di Padova e dall’Università di Monaco presenta per la prima volta un approccio generale all’analisi del meccanismo di regolazione della trascrizione genica, ovvero la conversione del DNA in RNA, mostrando come sia possibile determinarne l’inibizione o l’aumento mediante la formazione di triplex ibridi, avendo come effetto finale lo spegnimento o l’attivazione di quel gene.

La ricerca pubblicata sulla rivista «Nucleic Acids Research» dal titolo “Rational design of hybrid DNA–RNA triplex structures as modulators of transcriptional activity in vitro” descrive l’utilizzo di filamenti di RNA sintetico per il controllo dell’espressione di geni da unità trascrizionali prodotte in vitro (unità composte da una parte regolatoria e una parte trascritta) e progettate a partire da DNA batterico.

In particolare, lo studio descrive un approccio innovativo di biologia sintetica: attraverso la modifica di sequenze di regolazione genica batteriche fuse con sequenze in grado di formare complessi con sostanze fluorescenti (aptameri fluorogenici) si è monitorato l’effetto di strutture a tripla elica ibride (triplex di DNA e RNA) sulla velocità del processo di trascrizione genica. Questo nuovo metodo sperimentale ha permesso di stimare in modo preciso la velocità dell’enzima RNA polimerasi usando la misura della fluorescenza di aptameri che si accumulano in soluzione durante il processo di trascrizione.

«Lo studio, iniziato all’Università di Monaco e completato a Padova, è la sintesi di diversi anni di impegno di ricerca sull’ingegnerizzazione di sequenze genomiche, sul design e messa a punto di RNA funzionali, quali gli aptameri fluorescenti. È questo – dice Alessandro Cecconello del Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione dell’Ateneo patavino e prima firma della pubblicazione – un nuovo filone di ricerca nell’ambito della Synthetic Biology e delle tecnologie a RNA. In particolare, per la prima volta è stato dimostrato l’effetto delle strutture a tripla elica sia sullo spegnimento che sull’accensione dei geni.I prossimi obiettivi coinvolgeranno lo studio del dettaglio molecolare del meccanismo d’azione dei DNA-RNA triplex, l’identificazione di agenti che possano influire sulla formazione di tali strutture ibride e, di conseguenza, il loro effetto sulla regolazione genica in vivo e, infine, il loro potenziale terapeutico».

Alessandro Cecconello
Alessandro Cecconello

La ricerca è stata finanziata dalla European Molecular Biology Organization (EMBO), Unione Europea (REACT-EU ed ERC-AEDNA), Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione (BCA) dell’Università di Padova e MIUR (ECCE AQUA) ed è stata condotta da Alessandro Cecconello del gruppo di ricerca in nanobiotecnologie del Dipartimento BCA guidato dal Prof. Fabio Vianello, con il Dott. Massimiliano Magro e la collaborazione internazionale del Prof. Friedrich Simmel della Università Tecnica di Monaco (TUM).

Link alla ricerca: https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac1131/6947078

Titolo: “Rational design of hybrid DNA–RNA triplex structures as modulators of transcriptional activity in vitro” – «Nucleic Acids Research» – dicembre 2022

Autori: Alessandro Cecconello, Massimiliano Magro, Fabio Vianello, Friedrich C. Simmel

Gruppo di ricerca in nanobiotecnologie

Il gruppo di ricerca in nanobiotecnologie del Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione dell’Università di Padova è guidato dal Professor Fabio Vianello e si occupa di sviluppare applicazioni biotecnologiche di nanomateriali ibridi nei settori della biomedicina, della sensoristica e valorizzazione del settore alimentare.

Alessandro Cecconello è ricercatore nel Dipartimento di Biomedicina Comparata e Alimentazione dell’Università di Padova da gennaio 2021 (REACT EU-PON “Ricerca e Innovazione 2014-2020” – DM 1062/2021). Ha conseguito la laurea magistrale in Biotecnologie Industriali all’Ateneo patavino e il Dottorato di ricerca in Chimica alla Hebrew University di Gerusalemme (Israele).

Testo e foto dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Padova sul nuovo studio circa RNA in tripla elica e informazioni genetiche

STUDIO VIMM-UNIVERSITÀ DI PADOVA SVELA NUOVI PASSI NELLA SCOPERTA DEI MECCANISMI DI TOSSICITÀ ALLA BASE DELLA MALATTIA DI KENNEDY 

Pubblicato su Science Advances il lavoro di ricerca coordinato dalla Prof.ssa Maria Pennuto (VIMM e Università di Padova) sulla malattia di Kennedy dovuta ad una mutazione del recettore degli androgeni che causa la perdita dei neuroni che permettono i movimenti volontari.

Nuovi passi nella scoperta dei meccanismi di tossicità alla base della malattia di Kennedy
Nuovi passi nella scoperta dei meccanismi di tossicità alla base della malattia di Kennedy

Recenti ricerche hanno rivelato che un individuo ogni sei persone è affetto da una malattia neurodegenerativa: una larga famiglia di disordini del sistema nervoso, che nelle forme più classiche si manifestano nell’adulto, sono progressive e con un decorso più o meno lento, ma inesorabile.

Parliamo di condizioni quali la malattia di Alzheimer, la malattia di Parkinson, le malattie del motoneurone e la malattia di Huntington. Tali malattie hanno manifestazioni cliniche diverse, che vanno da alterazioni cognitive a disturbi psichiatrici e problemi motori, e ciò risulta dal funzionamento alterato e dalla perdita di tipi diversi di neuroni nel cervello e nel midollo spinale.

Sebbene clinicamente diverse, le malattie neurodegenerative condividono diversi aspetti, tra cui quelle di essere patologie che si manifestano dopo i 40 o 50 anni di età nelle forme più canoniche, e di essere caratterizzate dall’accumulo di fibre tossiche di proteine dentro e fuori dai neuroni. Per di più sono accomunate da morte dei neuroni associata con infiammazione o attivazione dei processi di degenerazione che portano il neurone all’autodistruzione.

Nella maggior parte dei casi tali patologie sono sporadiche e non associate a mutazioni su geni specifici. In alcuni casi, queste patologie sono associate a mutazioni su geni diversi. Ed è proprio studiando tali forme genetiche che possiamo investigare i processi patologici che avvengono nei neuroni.

Nasce da qui lo studio coordinato dalla Prof.ssa Maria Pennuto – VIMM e Università di Padova – e condotto dalle ricercatrici Diana Piol e Laura Tosatto, che si è concentrato sullo studio della malattia di Kennedy, anche nota come atrofia muscolare spinale e bulbare (SBMA), causata dall’espansione di un tratto di poliglutammine nel gene che codifica il recettore degli androgeni.

Nello studio “Antagonistic effect of cyclin-dependent kinases and a calcium dependent phosphatase on polyglutamine-expanded androgen receptor toxic gain-of-function”, pubblicato su “Science Advances” si indaga sulla mutazione del recettore degli androgeni che causa la perdita di quei neuroni che ci permettono di effettuare tutti i movimenti volontari, dall’uso dei muscoli facciali alla deglutizione al muovere le gambe e le braccia.

I pazienti infatti sono via via costretti ad utilizzare supporti per camminare fino all’uso di sedie a rotelle a causa dell’affaticamento e dell’incapacità di muoversi. Studiando come il recettore degli androgeni funziona in condizioni normali e nella malattia, il gruppo di ricerca diretto dalla Prof.ssa Maria Pennuto ha dimostrato che la proteina mutata viene modificata da fattori cellulari, che aggiungono dei gruppi chimici o li tolgono. Tali modifiche avvengono sul recettore mutato in maniera più forte rispetto al recettore normale. Il gruppo di ricerca ha identificato i fattori responsabili di tali modifiche chimiche e quelli che le rimuovono. Se farmacologicamente o geneticamente si riduce l’attività di questi fattori, si assiste ad un miglioramento della funzionalità del recettore, dimostrando quindi la rilevanza di queste scoperte nel contesto della malattia di Kennedy. La ricerca condotta dal gruppo di Padova è stata effettuata in collaborazione con altri laboratori situati in Italia e all’estero.

Scopo dello studio è l’identificazione di nuovi target molecolari e l’ampliamento delle conoscenze nell’ambito delle malattie neurodegenerative.

“Questo studio ci ha permesso di chiarire che il recettore mutato va incontro alle stesse modifiche del recettore normale. Ciò che davvero cambia è l’entità di tali modifiche, che sono più forti nel caso del recettore mutato” Ha sottolineato Maria Pennuto, coordinatrice del progetto di ricerca. “E questo si traduce in un funzionamento non ottimale del recettore che quindi non riesce a compiere le funzioni che normalmente esegue nei neuroni e nelle cellule muscolari. L’identificazione dei fattori responsabili di tali modifiche potrà aiutare al raggiungimento di una migliore comprensione dei processi patologici che avvengono nel paziente, e in futuro porterà alla individuazione di nuovi bersagli terapeutici”.

Maria Pennuto
Maria Pennuto

Il progetto di ricerca della prof.ssa Maria Pennuto sulla malattia di Kennedy è iniziato nel 2013, quando ha ricevuto un finanziamento di oltre 500.000 euro da parte della Provincia Autonoma di Trento, nell’ambito del programma per le carriere dell’Istituto Telethon-Dulbecco (DTI), che le ha permesso di creare un gruppo di ricerca indipendente per lo studio di questa patologia.

MARIA PENNUTO

Maria Pennuto si è laureata con lode in Scienze Biologiche nel 1996 presso l’Università “La Sapienza” di Roma. Nel 2000 ha ottenuto il diploma di dottore di ricerca in “Biologia cellulare (Cellulare e Molecolare)” (XIII ciclo) presso l’Università degli Studi di Milano. Dal 2001 al 2004, ha svolto un post-dottorato nel laboratorio del Dr Lawrence Wrabetz (San Raffaele, Milano), dove ha investigato i meccanismi molecolari alla base della malattia della mielina periferica Charcot-Marie-Tooth tipo 1B. Nel 2005 si è recata presso il National Institute of Neurological Disorders and Stroke (National Institutes of Health, NIH, Bethesda, MD) negli USA, dove ha svolto attività di ricerca come visiting post-dottorato presso il laboratorio del Dr Kenneth Fischbeck, investigando i meccanismi molecolari alla base delle malattie del motoneurone. Nel 2008 ha ottenuto la posizione di Staff Scientist presso il Dipartimento di Neurologia della University of Pennsylvania (UPenn, Philadelphia, PA USA), dove ha continuato la propria attività di ricerca sulle malattie neurodegenerative.

Nel 2009 la Dr Pennuto è rientrata in Italia con una posizione di ricercatore indipendente presso il Dipartimento di “Neuroscience and Brain Technologies” dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova. Qui ha diretto l’unità di ricerca sulle basi molecolari delle malattie neuromuscolari degenerative quali SBMA e SLA. Nel 2013 ha vinto il premio alla carriera Dulbecco Telethon (DTI) e ha ottenuto una posizione di Ricercatore di tipo B presso il Centro di Biologia Integrata dell’Università di Trento. Nel 2017 Maria ha ottenuto una posizione di Professore Associato presso l’Università degli Studi di Padova. A partire dal 2018 è vicedirettrice e capo unità presso l’Istituto Veneto di Medicina Molecolare (VIMM), Padova.

Testo e immagini dagli Uffici Stampa Istituto Veneto di Medicina Molecolare (VIMM) e Università degli Studi di Padova sui nuovi passi nella scoperta dei meccanismi di tossicità alla base della malattia di Kennedy.

NON SOLO ACQUA AL CENTRO DELLA TERRA, CI SONO ANCHE METANO E IDROGENO MOLECOLARE

Lo studio pubblicato su «Nature» conferma per la prima volta che le placche tettoniche penetrano nel mantello seguendo talvolta percorsi non lineari.

La scoperta potrebbe contribuire anche a comprendere l’origine dei terremoti profondi e di grande magnitudine

I diamanti super profondi, quelli estremamente rari che si formano a profondità da 300 fino a 1000 km all’interno del mantello terrestre, sono vere e proprie capsule inerti capaci di trasportare “frammenti” di terra profonda fino alla superficie terrestre senza quasi alcuna alterazione chimica.

L’articolo dal titolo “Extreme redox variations in a superdeep diamond from a subducted slab“, che ha come prima firma Fabrizio Nestola del Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova con il contributo di Luca Bindi del Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze e pubblicato su «Nature» dal team di ricerca internazionale – a cui hanno partecipato anche l’Università canadese di Alberta, la tedesca di Bayreuth, l’americana Northwestern University e l’inglese University of Glasgow – descrive la composizione di un diamante davvero unico e sensazionale.

Foto a – Microfotografia del diamante studiato – foto Margo Regier

Il diamante studiato (Foto a) incorpora particolari inclusioni che testimoniano una sequenza complessa di reazioni chimiche che avvengono su una placca tettonica in subduzione – cioè quella placca che scorre al di sotto di un’altra placca e che può sprofondare verso l’interno del mantello terrestre – al “confine” tra la zona di transizione, tra i 410 e i 660 km di profondità, e il mantello inferiore, settore che si estende da 660 km fino al nucleo terrestre esterno a 2900 km di profondità.

Il processo di subduzione è uno dei principali fenomeni geologici che stanno alla base della tettonica delle placche sul nostro pianeta, la teoria che indica come la litosfera, l’involucro solido più esterno della Terra dello spessore di 70-100 km, sia divisa in circa venti porzioni rigide, dette appunto placche.

Non solo acqua al centro della terra, anche metano e idrogeno molecolare
Foto b – Microfotografia del diamante studiato con in evidenza le inclusioni intrappolate al suo interno – foto Margo Regier

La tipologia di inclusioni analizzate (Foto b) come il ritrovamento di forsterite pura, un caso unico, che è un minerale del mantello terrestre con composizione Mg2SiO4 e le reazioni chimiche che sono avvenute all’interno del diamante studiato indicano e confermano la presenza di acqua a grandissime profondità (circa 660 km), in concomitanza a metano (CH4), idrogeno molecolare H2 e la presenza di settori, sempre a queste profondità, costituiti da ferro metallico ritenuto – fino allo studio pubblicato su «Nature» – essere presente solo nel nucleo terrestre.

Allo stesso tempo, la scoperta conferma empiricamente per la prima volta ciò che era stato solo simulato in geofisica da calcoli molto complessi: le placche tettoniche penetrano nel mantello talvolta seguendo percorsi non lineari.

Non solo acqua al centro della terra, anche metano e idrogeno molecolare
Figura c – Placca in subduzione che si muove in modo non lineare raggiungendo il mantello inferiore. Figura modificata da Fabrizio Nestola et al. 2023

«Non si può escludere che tali percorsi possano essere un’ulteriore complessità da considerare per i sismologi che studiano lo sviluppo di alcuni terremoti estremamente profondi che talvolta raggiungono magnitudo 7 e che si verificano a profondità superiori ai 600 km, come nelle Filippine (675 km di profondità), in Papua Nuova Guinea (735 km), nelle Ande e in Indonesia. Sismi così profondi si sono verificati anche in Spagna, al di sotto della città di Granada (630 km), e più raramente anche in Italia, nel Tirreno meridionale, dove si sono registrati terremoti anche al di sotto dei 600 km di profondità – dice Fabrizio Nestola del Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova –. La letteratura scientifica ritiene che tali terremoti siano correlati alle placche in subduzione e il nostro articolo non fa che supportare questa ipotesi andando a rendere ancora più complesso lo scenario, come si vede nella Figura c, non solo con un andamento della placca non lineare – che si muove verso grandi profondità – ma causando una sequenza di idratazione e disidratazione delle rocce che stanno entrando nel mantello inferiore».

Fabrizio Nestola
Fabrizio Nestola

«L’effettiva presenza di acqua a grandissime profondità nella Terra era stata già scoperta nel 2014 grazie ad un altro diamante super profondo, tuttavia – conclude Luca Bindi del Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze – con questo nuovo studio non solo confermiamo che l’acqua deve essere assolutamente presente tra la zona di transizione e il mantello inferiore, ma che a quelle profondità dobbiamo anche avere altri fluidi come il metano e l’idrogeno molecolare».

Link alla ricerca: https://www.nature.com/articles/s41586-022-05392-8

Titolo: “Extreme redox variations in a superdeep diamond from a subducted slab” – «Nature» – 2023.

Autori: Fabrizio Nestola, Margo E. Regier, Robert W. Luth, D. Graham Pearson, Thomas Stachel, Catherine McCammon, Michelle D. Wenz, Steven D. Jacobsen, Chiara Anzolini, Luca Bindi & Jeffrey W. Harris.

Testo e immagini dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Padova sullo studio che non rileva solo acqua al centro della terra, ma pure metano e idrogeno molecolare.

Un coccodrillo marino pasto indigesto del Giurassico

Un coccodrillo marino del Giurassico Superiore era un pasto indigesto per i grandi predatori, è quanto è emerso dallo studio del dott. Giovanni Serafini di Unimore e dal prof. Luca Giusberti dell’Università di Padova. I due geologi hanno studiato dei resti fossili presenti nel Museo di Geologia e Paleontologia dell’università patavina per scoprire che sono appartenuti ad un giovane esemplare di rettile marino che è stato rigurgitato 150 milioni di anni fa. Il reperto è il primo segnalato tra i suoi simili ed il terzo in una rigurgitalite in tutto il mondo.

Un nuovo studio guidato dalle Università di Modena-Reggio Emilia e Padova ha rivelato la natura sorprendente di un fossile proveniente dal Giurassico bellunese. Lo studio, a cura del Dr. Giovanni Serafini (Unimore) e del Prof. Luca Giusberti (UniPd) è frutto di una collaborazione con l’Università di Pavia, il National Museum of Scotland e l’Università di Yale. La scoperta è stata pubblicato su «Papers in Palaeontology» in un articolo dal titolo “Tough to digest: first record of Teleosauroidea (Thalattosuchia) in a regurgitalite from the Upper Jurassic of north-eastern Italy”.

Un coccodrillo marino pasto indigesto del Giurassico
I resti fossili

Nel 1980 il geologo feltrino Danilo Giordano scoprì presso Ponte Serra, in provincia di Belluno, i resti scheletrici di un piccolo rettile teleosauroide (gruppo di animali marini prossimi ai coccodrilli) in una lastra di Rosso Ammonitico Veronese, formazione geologica celebre per l’attività estrattiva in Veneto. Nonostante il reperto fosse esposto da alcuni anni al Museo di Geologia e Paleontologia dell’Università di Padova, questo aveva ricevuto poca attenzione fino al 2021.

Durante una revisione dei rettili marini del museo da parte degli autori, si è notato infatti che il reperto presenta diverse caratteristiche inusuali: le piccole vertebre, gli elementi del bacino e gli osteodermi (“scudi” ossei tipici dei coccodrillomorfi) dell’esemplare appaiono infatti raggruppati in un’unica massa e sono molto sovrapposti tra loro. Questa particolare conformazione è altamente improbabile che sia il risultato di processi fisici nell’ambiente in cui si è fossilizzato (un mare abbastanza profondo con un fondale non interessato da correnti) mentre invece è molto più plausibile con un’origine biologica: il reperto è infatti molto simile ad un pellet gastrico, ossia una massa di elementi scheletrici passati dal canale alimentare di un altro animale. Analisi geochimiche e microstrutturali condotte al microscopio elettronico su campioni di matrice e osso estratti dall’esemplare confermano questa ipotesi: il tessuto scheletrico si presenta microscopicamente corroso e il sedimento registra bassi livelli di fosforo persi dall’osso. Queste particolari caratteristiche indicano un attacco piuttosto rapido e limitato da parte degli acidi gastrici, aspetto che permette di identificare il reperto come una regurgitalite, una massa rigurgitata da un predatore o da uno spazzino.

Questo resto fossile rappresenta il primo teleosauroide rinvenuto in una regurgitalite. L’esemplare è stato ascritto agli Aeolodontinae (il primo in Italia), un gruppo di teleosauroidi particolarmente adattato alla vita in mare aperto tipico del Giurassico Superiore; la datazione del sedimento per mezzo dei microfossili ha confermato questa assunzione, collocando il reperto nel Giurassico Superiore, intorno ai 150 milioni di anni fa.

La testimonianza di Ponte Serra è quindi di grande interesse, in quanto documenta un’interazione trofica estremamente rara in ambiente marino. Il predatore che può essersi nutrito del piccolo teleosauroide per poi rigurgitarlo non è facilmente identificabile: può essere stato un pliosauro, un ittiosauro, uno squalo oppure un’altra categoria di “coccodrilli” marini tipica dei mari giurassici, i metriorinchidi.

Apparentemente sembrerebbe un insignificante mucchietto di ossa fossili conservato da 40 anni al Museo di Geologia e Paleontologia dell’Università di Padova, invece grazie al nostro studio ha svelato un “segreto” avvenuto nei mari giurassici di 150 milioni di anni fa. Il fossile è stato interpretato come regurgitalite – dice Luca Giusberti del Dipartimento di Geoscienze dell’Ateneo patavino –. Le ossa della vittima che costituiscono tale rigurgito appartengono ad un esemplare giovanile di Aeolodontinae, un coccodrillo marino particolarmente adattato alla vita in mare aperto, segnalato per la prima volta in Italia. Il reperto sarà prossimamente esposto nel Museo della Natura e dell’Uomo dell’Università di Padova di prossima apertura a Palazzo Cavalli”.

Dalla prima analisi del fossile bellunese ci siamo presto resi conto che qualcosa non tornava nell’organizzazione degli elementi scheletrici: vertebre e scudi dermici erano raggruppati in un’unica massa, in modo del tutto diverso dai normali resti disarticolati in ambiente profondo. Abbiamo optato – afferma il dott. Giovanni Serafini Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche di Unimore – quindi per una spiegazione biologica e ogni analisi successiva sembrava confermare la nostra ipotesi: il piccolo coccodrillomorfo era stato rigurgitato da un predatore. Inoltre la particolare ornamentazione degli scudi dermici ci ha permesso di attribuire il reperto alla sottofamiglia di teleosauroidi detta Aeolodontinae tipica del Giurassico Superiore (150 milioni di anni fa). Il reperto di Ponte Serra si è quindi dimostrato estremamente interessante, dal momento che rappresenta un’interazione predatore-preda in ambiente marino, estremamente rara nel record fossile. Di fatto questo piccolo rettile marino è solamente il terzo segnalato in una regurgitalite in tutto il mondo, e in assoluto il primo tra i suoi simili“.

Link alla ricerca: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/spp2.1474

Titolo: “Tough to digest: first record of Teleosauroidea (Thalattosuchia) in a regurgitalite from the Upper Jurassic of north-eastern Italy” – «Papers in Palaeontology» 2022

Autori: Giovanni Serafini, Caleb M. Gordon, Davide Foffa, Miriam Cobianchi, Luca Giusberti

 

Modena/Padova, 6 dicembre 2022

Testo e immagine dagli Uffici Stampa Unimore e Università di Padova.

CREARE NUOVE MOLECOLE CON LA LUCE

Ecco la ricetta per una chimica più sostenibile made in UNIPD

Le molecole bioattive, o biomolecole, sono tutte quelle molecole organiche a base di carbonio, come ad esempio le proteine o gli acidi nucleici, che hanno un ruolo fondamentale nel “funzionamento” degli esseri viventi. Le molecole di natura indolica sono quelle che non sono formate esclusivamente da atomi di Carbonio ma anche da altri elementi. Queste molecole hanno svariate attività biologiche, ad esempio sono i componenti fondamentali del triptofano, uno dei più importanti neurotrasmettitori celebrali.

Lo studio dal titolo “Unveiling the impact of the light source and steric factors on [2 + 2] heterocycloaddition reactions” pubblicato su «Nature Synthesis» vede il team di ricerca guidato Luca Dell’Amico del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova investigare l’effetto che ha la sola luce sulla costruzione di molecole bioattive di natura indolica.

È la prima volta che questa particolare relazione viene studiata: finora infatti non era noto come i diversi tipi di luci fossero in grado di variare la reattività e quindi il cambiamento di questi composti. Nella pubblicazione si sono utilizzate sorgenti di luce con colori diversi – a diverse lunghezze d’onda – per promuovere la costruzione di due tipi di molecole diverse a partire dagli stessi reagenti di partenza.

La proiezione di questa ricerca ha risvolti molto promettenti perché, utilizzando questa metodologia, sarà possibile sviluppare processi di sintesi chimica per la costruzione di molecole bioattive che saranno maggiormente “sostenibili”: l’utilizzo della luce come energia potrà evitare l’uso di reagenti tossici, di metalli e di temperature elevate diminuendo l’impronta ambientale nel processo di produzione chimico. Nel caso dello studio sviluppato dal Dipartimento di Scienze Chimiche (DiSC) dell’Ateneo patavino, la luce è l’ingrediente essenziale che si utilizza per fornire l’energia necessaria alla costruzione di queste molecole (utilizzate nella farmaceutica) mediante “eccitazione”: la luce cioè viene assorbita e si trasforma in energia chimica. La biomolecola di partenza reagisce con una seconda molecola in modo da generare un composto più complesso che può avere svariate attività biologiche attualmente in fase di studio al DiSC.

«Le possibili ricadute in questo senso sono di elevato impatto per la nostra società – dice Luca Dell’Amico del Dipartimento di Scienze Chimiche – perché sarà possibile ottenere molecole ad alto valore aggiunto in modo pulito e sostenibile e modificarne la struttura semplicemente cambiando la luce utilizzata. Il fatto di poter partire dagli stessi precursori per ottenere due composti diversi e quindi con attività biologiche diverse, semplicemente cambiando il colore della luce utilizzato, rappresenta un importantissimo risultato che apre la strada ad un modo nuovo e più verde di accesso a molecole bioattive complesse. Nuove possibilità grazie all’insegnamento della natura – conclude Dell’Amico – perché stiamo di fatto imparando a costruire le molecole organiche di nostro interesse in modo sostenibile semplicemente sfruttando l’energia del sole, in maniera simile a come fanno le piante».

Questo filone di ricerca è legato all’ERC starting Grant recentemente finanziato dall’Unione Europea con circa 2 milioni di euro del Prof. Luca Dell’Amico che è proprio incentrato sullo studio dei meccanismi alla base della sintesi di molecole organiche mediata dalla luce.

Link alla ricerca: https://www.nature.com/articles/s44160-022-00191-5

Titolo: “Unveiling the impact of the light source and steric factors on [2 + 2] heterocycloaddition reactions” – «Nature Synthesis» 2022

Autori: Javier Mateos, Francesco Rigodanza, Paolo Costa, Mirco Natali, Alberto Vega-Peñaloza, Elisa Fresch, Elisabetta Collini, Marcella Bonchio, Andrea Sartorel & Luca Dell’Amico

Approfondimento video: https://www.youtube.com/watch?v=PHClPBkfuls

Testo e foto dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Padova

SOSTENIBILITÀ DELLE RISORSE COMUNI E COOPERAZIONE TRA INDIVIDUI

Confermate da uno studio pubblicato da «Nature Sustainability» le intuizioni della Nobel per l’economia Elinor Ostrom. La ricerca coordinata da Samir Suweis dell’Università di Padova dimostra il ruolo fondamentale che hanno le informazioni sull’esaurimento delle risorse e la condivisione degli obiettivi.

Samir Suweis Sostenibilità delle risorse comuni e cooperazione tra individui
Samir Suweis

L’uso sostenibile delle risorse comuni – come le acque sotterranee, la pesca o le foreste – è una sfida impegnativa perché richiede che gli utilizzatori delle risorse cooperino tra loro.

Se l’evidenza empirica ha dimostrato che le comunità prevengono lo sfruttamento eccessivo (tragedy of the commons) sviluppando istituzioni di autogoverno che favoriscono la collaborazione, tuttavia sia le condizioni che favoriscono la cooperazione che i suoi benefici a lungo termine sono rimasti sotto traccia negli studi scientifici sull’argomento.

Lo studio con il titolo “The emergence of cooperation from shared goals in the governance of common pool resources” pubblicato su «Nature Sustainability» dal team di ricerca internazionale coordinato da Samir Suweis del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Galileo Galilei” dell’Università di Padova dimostra come la cooperazione sia favorita dall’accesso alle informazioni sui cambiamenti del livello di risorsa e dalla loro capacità di influenzare le decisioni degli utenti. Ad esempio, quando le risorse si esauriscono gli individui adeguano il tasso di raccolta, ma questa cooperazione emerge solo quando le persone vengono ricompensate sulla base di obiettivi che condividono.

La ricerca pubblicata, a differenza della letteratura scientifica precedente, pone in luce sia l’effetto retroattivo tra le decisioni (prese dagli individui) e l’andamento delle risorse disponibili sia il legame che esiste tra la cooperazione che si sviluppa e gli obbiettivi condivisi.

Gli autori hanno sviluppato un programma online per eseguire delle simulazioni in cui gli utilizzatori di una risorsa comune scelgono (aggiornando il loro comportamento nel tempo) il tasso di consumo individuale in base alla conoscenza sia del livello della risorsa che del comportamento degli altri. Il risultato è stato che se gli utenti condividono obiettivi comuni allora vi è una tendenza a cooperare e ciò consente un uso sostenibile delle risorse nel lungo periodo. Questi esiti (tendenza alla cooperazione e sostenibilità di lungo periodo) sono coerenti con i risultati di un modello teorico di dinamica delle risorse e di estrazione già sviluppato dal primo autore, Chengyi Tu docente a Berkeley e alla Zhejiang Sci-Tech University, che dimostrava come la cooperazione fosse il frutto di un compromesso tra il la “ricompensa” individuale e quella collettivo.  I ricercatori, utilizzando la teoria del controllo ottimale, hanno dimostrato che obiettivi condivisi portano ad azione collettiva auto-organizzata che consente una governance sostenibile delle risorse comuni.

«Il contributo originale di questo studio – afferma il primo autore della pubblicazione Chengyi Tu – è che utilizza sia approcci sperimentali che modelli teorici per mettere in relazione l’emergere della cooperazione con obiettivi condivisi e feedback sulle decisioni relative alle risorse».

«L’aspetto davvero entusiasmante – conclude il coordinatore dello studio Samir Suweis – è che siamo riusciti a dimostrare come gli obiettivi comuni condivisi, previsti da Elinor Ostrom prima donna premiata con il Nobel per l’Economia nel 2009 proprio per i suoi studi su governance e risorse comuni, possano indurre la cooperazione auto-organizzata e la sostenibilità dei beni comuni».

Link all ricerca: https://www.nature.com/articles/s41893-022-01008-1

Titolo: “The emergence of cooperation from shared goals in the governance of common pool resources” – «Nature Sustainability» 2022

Autori: Chengyi Tu, Paolo D’Odorico, Zhe Li & Samir Suweis

Testo e foto dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Padova

L’AMILOIDOSI DI TIPO AA DEL GATTO COME MODELLO DI STUDIO DELLE AMILOIDOSI NELL’UOMO

Pubblicato sulla rivista «Nature Communications» lo studio dal titolo “Cryo-EM structure of ex vivo fibrils associated with extreme AA amyloidosis prevalence in a cat shelter” frutto della collaborazione di numerosi gruppi di ricerca in Medicina Veterinaria, tra cui il Dipartimento di Medicina Animale, Produzioni e Salute dell’Università di Padova, ed in Medicina Umana, tra cui l’Amyloid Research and Treatment Centre dell’IRCCS Policlinico San Matteo di Pavia, il Dipartimento di Bioscienze dell’Università di Milano ed il centro IMTC del Policlinico San Donato di Milano (coordinatore Prof. Stefano Ricagno).

Il lavoro scientifico verte sulla amiloidosi sistemica di tipo AA – malattia da accumulo cronica nell’uomo e negli animali caratterizzata dalla deposizione patologica, in sede extracellulare, di materiale proteico insolubile, denominato amiloide o sostanza amiloide – in maniera specifica del gatto.

amiloidosi gatto uomo L'amiloidosi di tipo AA del gatto come modello di studio delle amiloidosi nell'uomo
Foto di Alexa

La pubblicazione su «Nature Communications» mette per la prima volta in evidenza, classificandola come epidemiologicamente rilevante, una malattia considerata tradizionalmente rara nel gatto comune europeo.

Nell’uomo, molteplici sono le forme di amiloidosi – oltre 40, ereditarie e non, che differiscono per proteina responsabile, insorgenza, organi coinvolti e decorso – e una di queste è appunto l’amiloidosi AA (infiammatoria/reattiva).

Nello studio effettuato sui gatti ci sono alcuni parallelismi con le amiloidosi dell’uomo che rendono la malattia, nella specie felina, un modello naturale particolarmente promettente per il futuro, tra cui proprio il coinvolgimento renale. La pubblicazione potrà pertanto fornire informazioni utili per meglio caratterizzare le amiloidosi umane. Infatti negli organi dei gatti con la malattia si osserva la deposizione di una sostanza, perfettamente caratterizzata in questo studio, che il sistema immunitario non riesce ad eliminare. Tale sostanza si accumula causando danni agli organi coinvolti e in particolare al rene, proprio come nell’uomo.

«La ricerca pubblicata è una pietra miliare nell’ambito della ricerca sulla amiloidosi e al contempo sulla malattia stessa nel mondo animale – sostiene Eric Zini afferente al Dipartimento MAPS –. Inoltre l’amiloidosi sistemica di tipo AA è a tutti gli effetti una delle malattie più importanti dei gattili e favorisce lo sviluppo di insufficienza renale.»

 «L’eccezionalità di questo lavoro, ancorché significativamente manifestata dalla eccellente collocazione editoriale, è che rappresenta un ulteriore tassello verso la realizzazione perfetta della medicina traslazionale – conclude Alessandro Zotti, direttore del Dipartimento di Medicina Animale, Produzioni e Salute dell’Università di Padova – ovvero lo studio di malattie spontanee in modelli animali superiori e quindi con caratteristiche molto vicine alla patologia umana. La possibilità inoltre di sottoporre negli Ospedali Veterinari gli animali affetti a cicli di cure paragonabili a quelle della Medicina Umana potrebbe consentire sviluppi di ricerca inimmaginabili rispetto a quelli ottenuti ed ottenibili con i modelli di malattia sperimentale tradizionale usati fino ad ora».

Link alla ricerca: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36396658/

Titolo: “Cryo-EM structure of ex vivo fibrils associated with extreme AA amyloidosis prevalence in a cat shelter” – «Nature Communications» 2022

Autori: T. SchulteA. Chaves-SanjuanG. MazziniV. SperanziniF. LavatelliF. FerriC. PalizzottoM. MazzaP. MilaniM. NuvoloneA.C. VogtM. VogelG. PalladiniG. MerliniM. BolognesiS. FerroE. ZiniS. Ricagno

Testo e foto dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Padova

iSenseDNA: REGOLE E STRATEGIE CHE GOVERNANO UNA MOLECOLA

Allo studio una tecnologia per capire i legami tra la struttura e la sua funzione

 

Capire come funziona una specifica molecola durante processi biologici complessi è una delle sfide della ricerca biomedica, nonostante i notevoli avanzamenti della conoscenza nel campo delle biotecnologie in anni recenti. Un nuovo importante progetto UE, iSenseDNA, si concentra ora sullo sviluppo di una tecnologia per identificare che cosa significa un cambiamento della struttura di una molecola per la sua funzione.

Precedentemente, si aveva accesso solo a istantanee della struttura di molecole, ma è necessario legare tale struttura alla corrispondente funzione. È un po’ come utilizzare fotografie di un giocatore di rugby per imparare le regole e le strategie del gioco.

«Il nostro progetto si occupa di creare una opportunità non solo per imparare come si gioca, ma anche quali muscoli allenare per diventare giocatori migliori – specifica Lynn Kamerlin, che con la Dr. Antonietta Parracino coordina il progetto all’Università di Uppsala in Svezia».

«Il team dell’Università di Padova si occuperà di analizzare i dettagli delle fotografie per ricostruire, attraverso complesse simulazioni numeriche, – continua l’analogia il prof. Stefano Corni del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova, che poche settimane fa ha ospitato il kick-off meeting del progetto – la posizione e il movimento del giocatore».

Stefano Corni iSenseDNA
Stefano Corni

I ricercatori del team di iSenseDNA vogliono sviluppare una tecnologia che leghi i cambiamenti nella struttura della biomolecola alla sua funzione durante processi dinamici complessi in tempo reale. A oggi, ci sono tecniche per studiare la funzione di una molecola durante un processo biologico e ci sono tecniche per studiare la struttura dettagliata di molecole. Ma nessuno riesce, su larga scala, a connettere struttura e funzione. Questo rende difficile, per esempio, predire quali cambiamenti strutturali siano necessari per migliorare lo sviluppo di farmaci.

I ricercatori combineranno metodi computazionali e biotecnologici con strumenti per l’analisi ottica avanzata di biomolecole “in azione”. Insieme, vogliono sviluppare un cosiddetto nanotrasduttore, un sensore basato sul DNA che è sensibile ai cambiamenti strutturali e può leggerli in tempo reale.

«Questo progetto – concludono le coordinatrici – crea una collaborazione tra tecnologie e campi diversi che ha il potenziale di estrarre informazioni su processi complessi difficilmente recuperabili altrimenti e che contribuiranno all’avanzamento della diagnostica medica e delle terapie».

I ricercatori di iSenseDNA provengono da università (Uppsala, Umeå e Padova), centri di ricerca (CNR, BIO, DESY, ESRF) e una società (OrganoTherapeutics, OT) da vari paesi europei (Svezia, Italia, Spagna, Germania, Lussemburgo, Francia). Il progetto ha un budget di circa 3 milioni di euro ed è finanziato dall’European Innovation Council nell’ambito della EIC pathfinder Open Call.

 

Testo e foto dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Padova