Una delle principali caratteristiche della sua linea di ricerca è sicuramente l'interdisciplinarietà. Cosa vi accomuna ad altri settori della SISSA?

Le tecnologie di simulazione molecolare che usiamo sono simili a quelle utilizzate anche dai nostri colleghi del settore di Teoria degli Stati Condensati. In particolare, un ruolo fondamentale è giocato da calcoli quantomeccanici di struttura elettronica basati sulla teoria del funzionale densità, e dalle simulazioni di dinamica molecolare, che permettono di descrivere il moto di sistemi biomolecolari nella scala dei tempi del submicrosecondo. Lo scopo delle nostre ricerche è però molto differente: desideriamo confrontarci con gli esperimenti fatti dai biologi, che hanno un training molto diverso dal nostro. Questo confronto è assolutamente indispensabile, in quanto i sistemi che studiamo sono così complessi che è necessario confrontarsi continuamente con i dati sperimentali. In altre parole, non si può lavorare in questo campo sostituendo semplicemente agli studi su certi materiali, come per esempio il silicio, quelli su altre stutture come le proteine. Le domande che ci poniamo sono molto diverse. Le proteine, rimanendo all'esempio, sono oggetti straordinariamente complessi. La loro forma è dovuta a milioni di anni di evoluzione. Ciò non avviene in sistemi non biologici.

La SISSA è cresciuta dalla matematica e dalla fisica alle neuroscienze: è ovvio che la fisica biomolecolare sia al centro di questo sviluppo. Purtroppo in molti atenei in Italia, questa attività fondamentale non è molto sviluppata, e penso che l'esistenza alla SISSA di un settore che si interessa a queste tematiche sia un punto di forza della Scuola. Nel nostro campo c'è una attività importante non solo di ricerca ma anche di didattica: per esempio faccio un corso di biofisica molecolare, che ha pochi corrispondenti in Italia, mentre in altri paesi, come la Germania, ci sono interi dipartimenti di biofisica. Questo riflette purtroppo il divario tra noi e paesi più tecnologicamente avanzati del nostro.

Il nostro gruppo si interessa in particolare a sistemi di interesse farmaceutico. Un punto fondamentale che motiva la nostra ricerca in questo campo è che per comprendere l'azione di un farmaco è necessario indagare a un livello di dettaglio molecolare. Ciò ci porta a studiare dei sistemi su una scala di grandezze che è tipica delle nanoscienze.

Non è un atteggiamento troppo riduzionista?

È sicuramente vero che lo studio di processi di biologia cellulare sono di grandissimo interesse, e, in un certo senso, meno riduzionisti degli studi molecolari. Però, se per esempio si va in farmacia e si acquista un farmaco antivirale, vuol dire che faremo uso di molecole che bloccano determinate funzioni. Quindi se non si conoscono gli aspetti molecolari dell'azione di determinati principi è molto improbabile che si possano comprendere gli effetti dei farmaci, così come una grande varietà di altri processi, come ad esempio l'aggregazione di proteine, le interazioni proteina/proteina e proteina/DNA, il meccanismo di azione di recettori. Per questo si sta cercando di unire di due approcci, cellulare e molecolare, per ottenere una comprensione più chiara di questi fenomeni.

Qual è la sua formazione?

Io sono un chimico, il primo chimico qui alla SISSA. Ho conseguito il dottorato di ricerca con il professor Michele Parinello e da allora ho lavorato sempre con fisici e in dipartimenti di fisica.

Fate esperimenti direttamente?

Direttamente noi no, ma collaboriamo con gruppi sperimentali, come i neurobiologi della SISSA e altri biologi molecolari e cellulari sia dell'area triestina sia in Nord Europa e in America. Come dicevo prima, se non c'è un riscontro sperimentale la nostra ricerca non è molto utile: i sistemi biologi simulati in silico non è detto che corrispondano al sistema che effettivamente esiste in vivo: ad esempio le proteine formano aggregati nella cellula che molto difficilmente possono essere trattati dalle nostre tecniche, e dobbiamo essere sicuri che i modelli che costruiamo, necessariamente semplificati, siano in grado di riprodurre dati biologici. Quindi, se la ricerca non viene inserita in un contesto di biologia molecolare e cellulare, è molto difficile ottenere dei risultati che abbiano una rilevanza biologica e rendano conto della complessità di quel sistema e di tutte le sue possibili interazioni: tipicamente i giornali su cui pubblichiamo i nostri lavori, come "Biophysical Journal", "Proteins", richiedono contributi che abbiano una chiara rilevanza biologica.

Che applicazioni hanno queste ricerche?

Un aspetto applicativo è sicuramente legato all'uso dei farmaci. Per esempio, noi collaboriamo anche con la Glaxo in Inghilterra relativamente allo screening di certi farmaci e abbiamo una collaborazione con il professor Antonino Cattaneo sullo studio delle proteine coinvolte nell'Alzheimer. Penso che sia molto motivante per un giovane inserirsi in ricerche di questo tipo.

Da un punto di vista più teorico, invece, le nostre ricerche puntano a capire il funzionamento di varie entità biologiche, come quella di un enzima o di un recettore, e sempre più a descrivere come le proteine interagiscono tra loro. Queste ultime sono tutto fuorché oggetti statici, "respirano", modificano la loro struttura a seconda delle interazioni che hanno nella cellula. Si potrebbe pensare che questi cambiamenti strutturali siano associati a cambiamenti significativi di energia libera. Niente è più falso. La struttura di una proteina "non ripiegata" ha una energia libera molto simile a quella di altre sue configurazioni. Quindi anche piccole molecole, composte di pochi atomi, magari di venti atomi, come i trasmettitori di segnale (che sono entità minime rispetto alle proteine, che invece possono essere formate anche da miglialia di atomi) quando interagiscono con una proteina, possono provocare una cascata di eventi nel suo interno, cambiandone la struttura in maniera radicale, con mutamenti molto piccoli di energia libera. È estremamente affascinante comprendere come avvengano questi processi.

In questo contesto, è necessario considerare le proteine non più come entità isolate, ma nel contesto della cascata di eventi che possono generare. Per esempio, con la professoressa Anna Menini del Settore di Neurobiologia, stiamo cominciando a caratterizzare tutta la cascata di eventi degli odorant receptors (i recettori olfattivi), importanti anche nell'industria dei profumi. Quando una molecola si lega a un recettore si sviluppa una cascata di eventi, si aprono dei canali ionici nella membrana cellulare e via via altri processi. Noi siamo quindi interessati a capire non soltanto come funziona la singola molecola ma piuttosto la complessità di questi processi a cascata.

Quando io ho conseguito il dottorato, agli inizi degli anni Novanta, lavoravo su singole molecole, alquanto isolate dal loro contesto biologico. In questo senso, i tempi sono davvero cambiati! Inoltre, i nostri studenti acquisiscono qui alla SISSA delle modalità di lavoro interdisciplinare che dovrebbero consentire di dialogare scientificamente con biologi, fisici e chimici computazionali, al fine di studiare processi biologici più complessi.

Quali altre attività sono sviluppate all'interno del settore?

I nostri colleghi di meccanica statistica si occupano di modelli semplificati di proteine e di networks di proteine. Quello che cerchiamo di realizzare nel nostro settore, ed è questa una delle ricchezze della SISSA, è coniugare aspetti di fisica molecolare con tecniche che derivano dalla meccanica statistica. La somma di questi due approcci è molto maggiore rispetto alle singole aree disciplinari, prese a sé stanti. Con il gruppo di Cristian Micheletti, che è professore associato nel nostro settore, stiamo cercando di combinare le nostre conoscenze in modo da affrontare dei problemi sia a un livello più semplificato che a un livello molecolare. Questa è una direzione di ricerca molto importante del settore.

Siamo inoltre molto entusiasti per un'attività di tipo sperimentale che sviluppa il professore Giacinto Scoles (che afferisce sia al nostro settore che a quello degli Stati Condensati). Il professor Scoles studia biomolecole artificiali su superfici. Questi sistemi hanno un risvolto estremamente importante nell'ambito della genomica.

Penso che il futuro del nostro settore sia legato sia all'attività di nuovi giovani che si dedichino a esperimenti di biofisica molecolare e di biologica strutturale, sia alla bioinformatica. A questo riguardo, sono responsabile qui alla SISSA della linea di ricerca in biofisica del Democritos, che è il centro di eccellenza dell'INFM per le simulazioni in Italia, ospitato dalla SISSA e diretto dal professore Stefano Baroni, del Settore di Teoria degli Stati Condensati. Un risultato rilevante ottenuto dal Democritos è quello di aver fatto partire la bioinformatica strutturale, che utilizza medodi informatici, non ereditati dalla fisica, per trovare nuove risposte, una volta disponibili un numero enorme di dati (uno dei casi più famosi è costituto dai dati sul genoma umano). Abbiamo prodotto lavori di bioinformatica in collaborazione con i neuroscienziati, che hanno permesso di ottenere predizioni struttutrali su determinati sistemi, come le proteine di membrana. La bioinformatica è uno strumento molto potente, in molti casi l'unico, che permette di rispondere correttamente a un numero crescente di domande biologiche e mediche.