Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM 1 Lo studente Ricercatore La summer school di IFOM Come funziona? in un centro di ricerca a fianco di scienziati provenienti da tutto il mondo 2 SETTIMANE IN LAB : UN TUTOR A STUDENTE ogni studente entra a far parte di un gruppo di ricerca IFOM ed è seguito da almeno un tutor ANCHE IN INGLESE UN’ESPERIENZA A 360° nel mondo della scienza tra attività in laboratorio e seminari perché un bravo scienziato deve essere anche capace di spiegare i propri risultati in modo semplice e chiaro 1 CORSO DI COMUNICAZIONE DELLA SCIENZA GRATUITO E RESIDENZIALE foresteria, mensa/bar interni 2 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM I numeri del progetto 12 1436 Edizioni realizzate 2005 Candidature ricevute 2010 Lombardia 200 Studenti selezionati 2012 Nord Italia 2017 Italia prima edizione 3 Lo studente Ricercatore La summer school di IFOM Come partecipare? il concorso è aperto agli studenti che frequentano il quarto anno delle scuole statali e paritarie italiane STUDENTI DEL QUARTO ANNO UN CANDIDATO A SCUOLA TEST ONLINE BANDO ONLINE il bando è diramato sul sito web del progetto www.ifom.eu/it/lo-studente-ricercatore/ ogni scuola può proporre al massimo un candidato tutti gli studenti che hanno inviato la candidatura sono invitati a sostenere un test di selezione online MINORI ACCOMPAGNATI gli studenti minorenni selezionati devono essere accompagnati da un docente o da un genitore per tutto il periodo della summer school 4 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Quanto è efficace il progetto? ORIENTAMENTO UNIVERSITARIO ISCRITTI A FACOLTÀ SCIENTIFICHE Focus sulle facoltà scientifiche: 91% Per il 90.8% degli studenti la partecipazione al progetto è stata utile per l’orientamento universitario. 90% Il 90,1% dei summer student si è iscritto a una facoltà scientifica, il 9.9% a facoltà umanistiche. medicina e chirurgia 39% 22% biologia e biotecnologie 29% altre facoltà scientifiche Scelta universitaria più consapevole “Poter osservare in prima persona in cosa consiste il lavoro del ricercatore è stato molto utile anche per chi, come me, non ha scelto uno studio direttamente collegato alla biologia, ma si è potuto comunque rendere conto delle competenze utili in questo lavoro” Beatrice D’Alò . 2014 “Ho avuto la possibilità anche dopo il progetto di parlare con i ricercatori degli sbocchi professionali dei vari corsi di studio e questo mi ha aiutato molto nella scelta” Riccardo Giossi . 2008 “Mi ha permesso di vedere concretamente ciò che ho studiato nei libri” Niccolò Fabbri . 2012 Maggiore comprensione di come funziona la ricerca “Il progetto non solo ha ampliato le mie conoscenze in campo scientifico ma mi ha reso più competente in laboratorio” Fabio Facchini . 2006 “Mi ha dato gli strumenti per scegliere il mio percorso formativo” Silvia Simonetti . 2011 “Ho avuto la possibilità di scegliere sapendo già in partenza come potrà essere il mio lavoro futuro” Federica Migliorati . 2009 “Mi ha aiutato a focalizzare l’obiettivo. Ho capito che avrei potuto lavorare con la chimica (la mia passione) per fare ricerca in ambito biologicofarmacologico” Marco Franceschini . 2013 Acquisizione di nuove conoscenze “La possibilità di imparare e mettere in pratica diverse tecniche mi ha permesso di comprendere meglio alcuni concetti di biologia molecolare e di affinare le mie competenze in questo campo” Tania Gollini . 2006 “Ora ho più chiaro cosa vuol dire fare ricerca” Erika Bruno . 2012 “Il progetto mi ha fatto capire cosa vuol dire fare il ricercatore” Antonino Lo Cascio . 2011 “Ho potuto vedere come funziona realmente un laboratorio di ricerca” Erika Bertoletti . 2006 5 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Gli Studenti Ricercatori 2016 6 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Zebrafish, il modello Giovanni Baronchelli “Ho capito che la ricerca sul cancro non è l’esperimento svolto dal singolo, con risultati eccezionali, ma un lavoro d’equipe fatto di tanti piccoli passi.” Danio rerio (pesce zebra) è un piccolo pesce d’acqua dolce appartenente alla famiglia Cyprinidae impiegato per studi in vivo in tanti laboratori tra cui l’unità Zebrafish di IFOM. È diventato uno fra i modelli animali più utilizzati in embriologia, tossicologia, oncologia e per studiare la rigenerazione tissutale. La ragione di quest’ampio utilizzo è sia di natura genetica, dato che il suo genoma sequenziato e quasi completamente mappato è molto simile a quello umano, sia di natura pratica, poiché è un pesce che si riproduce molto velocemente ed i suoi embrioni, trasparenti, facilitano l’osservazione di numerosi meccanismi biologici legati allo sviluppo e al differenziamento cellulare. Il suo largo impiego nella ricerca sul cancro è dovuto al fatto che circa i tre quarti dei geni coinvolti nelle malattie umane hanno un omologo, cioè un gene che codifica per una proteina con sequenza e funzione simili, in zebrafish. La mia attività sperimentale si è basata sullo studio di alterazioni di un gene umano che ha un corrispondente in Danio rerio. Tale gene sembra essere coinvolto nel rabdomiosarcoma, un tumore maligno delle cellule muscolari striate, particolarmente frequente in età pediatrica. Lo studio dei geni è possibile creando mutazioni e analizzandone gli effetti. In particolare mi sono occupato del silenziamento di questo gene di zebrafish utilizzando il morpholino, un oligomero sintetico che impedisce la traduzione dell’RNA messaggero in proteina o la altera. L’attività sperimentale svolta in quest’unità è solo una delle tante vie per la ricerca sul cancro, ma la versatilità del modello zebrafish offre numerose possibilità per ampliare la conoscenza sui tumori. Scuola Tutor Gruppo/Unità IIS Cossali, Orzinuovi BS Gianluca Deflorian Unità Tecnologica Zebrafish 7 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Un bersaglio molecolare nei linfomi Nello Manuel Bellissimo “Lo studio del cancro è una sfida che ho affrontato ogni singolo giorno del mio stage: ogni errore, difficoltà, incomprensione, mi ha dato la forza per superare gli ostacoli e arrivare al risultato.” Il cancro è una malattia causata da alterazioni del DNA che possono essere congenite, casuali oppure insorgere in seguito all’azione di agenti esterni cancerogeni. Oggi sappiamo che il cancro non è causato solo da mutazioni del DNA ma anche da una enorme mole di fattori che influenzano l’espressione dei geni nelle cellule. L’epigenetica si occupa proprio di studiare i diversi cambiamenti che possono influenzare l’espressione di un gene rendendolo più o meno accessibile ai meccanismi di lettura dell’informazione. Il DNA nelle cellule si trova avvolto intorno a complessi proteici, gli istoni, a formare una struttura simile a una collana di perle, detta cromatina. A seconda del livello di condensazione della cromatina i geni sono più o meno accessibili ai meccanismi di trascrizione. Il livello di condensazione è regolato dall’attività di proteine specifiche capaci di modificare chimicamente gli istoni. Durante il mio stage ho lavorato nel gruppo che studia la biologia dei linfomi e ho testato su diverse linee cellulari tumorali una molecola che inibisce (mette un “freno”) EZH2, una proteina coinvolta nel meccanismo di rimodellamento della cromatina. Perché proprio questa proteina? Che connessione ha con il cancro? Secondo studi recenti vi è una correlazione tra l’attività di EZH2 e la maggiore presenza di modifiche chimiche istoniche nei linfomi o in cellule altamente proliferative. La ricerca in questo campo si sta concentrando su proteine come EZH2 per identificare possibili bersagli con lo scopo di limitare la proliferazione tumorale. Scuola Tutor Gruppo/Unità IIS Piranesi, Capaccio SA Federica Mainoldi Immunologia molecolare e biologia dei linfomi 8 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Che cos’è il cell sorter? Michelle Cescutti I ricercatori spesso utilizzano dei modelli cellulari per studiare i meccanismi molecolari legati all’insorgenza dei tumori. A volte è necessario suddividere queste cellule sulla base di determinate caratteristiche in modo da poter focalizzare l’attenzione su un particolare elemento. Durante la mia esperienza all’IFOM, per esempio, avevo l’esigenza di selezionare le cellule a seconda della fase cellulare in cui si trovavano. Uno degli strumenti più efficaci per far ciò è il cell sorter. Esso è un macchinario di ultima generazione in grado di distinguere le cellule d’interesse e separare subpopolazioni. Ma come funziona? Inizialmente le cellule vengono marcate legando i fluorocromi (molecole che vengono eccitate da laser ed emettono un segnale) a specifici elementi cellulari, detti marker. A questo punto le cellule vengono caricate nel sorter e fatte correre in un comparto simile ad uno stretto corridoio immerse in una soluzione salina che permette il loro allineamento. Alla fine della corsa le singole cellule vengono stimolate da un laser che eccita i fluorocromi. A seconda della presenza di quest’ultimo e quindi del marker le cellule vengono selezionate e separate in base al segnale che emettono dopo lo stimolo. Grazie al cell sorter ho potuto così dividere le cellule in base alla fase del ciclo cellulare in cui si trovavano, ma questo è solo uno dei suoi molteplici utilizzi! “La cosa che mi ha colpito di più è la passione dei ricercatori: è stato emozionante vedere nei loro occhi la soddisfazione per una scoperta e scoprire che non si danno mai per vinti!” Scuola Tutor Gruppo/Unità ISIS Fermo-Solari, Tolmezzo UD Maria Grazia Totaro Unità Tecnologica Imaging Molecolare 9 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Tutta una scoperta Rebecca Coppedè L’ubiquitina è una proteina scoperta solamente nel 1975. Inizialmente le sue funzioni non erano note ma la sua presenza si rilevava in tutti i punti del citoplasma. Per molto tempo si è pensato che fosse coinvolta soltanto nel processo di degradazione delle proteine, agendo come molecola segnale in grado di indirizzare le proteine vecchie o danneggiate verso il complesso del proteosoma (complesso proteico contenente enzimi litici). Il bello della ricerca, però, è trovare sempre qualcosa di nuovo e inaspettato: un esempio è proprio l’ubiquitina. Infatti recentemente si è scoperto il ruolo dell’ubiquitina in altri processi cellulari e il team di Simona Polo, in cui ho svolto il mio stage, è uno dei diversi gruppi di ricerca che sta studiando tali processi. Io ho avuto il piacere di affiancare una ricercatrice che sta studiando l’interazione dell’ubiquitina con due proteine. Lo scopo di queste ricerche è trovare il contributo dell’ubiquitina nella trasmissione dei segnali cellulari e le modificazioni che questa apporta ai fattori proteici. Nel corso delle due settimane in IFOM ho utilizzato tecniche come la trasfezione di DNA (metodica che inserisce all’interno delle cellule specifici DNA plasmidici) e il Western blot (tecnica che utilizza specifici anticorpi per rivelare bersagli di interesse) che mi ha permesso di visualizzare le proteine ubiquitinate al di sopra di membrane di nitrocellulosa. “Sono per lo più giovani che si confrontano, si aiutano e collaborano per uno scopo finale: fare ricerca e scoprire ciò che il mondo microscopico ci può dare per combattere le malattie.” Scuola Tutor Gruppo/Unità IIS Meucci, Massa MS Eleonora Valentini Ubiquitina e trasmissione del segnale 10 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Perline e braccialetti di DNA Angela Ferrari “Un’ordinaria straordinarietà: alle nove in laboratorio e tra caffè, Western Blot, cappe biologiche e chiacchiere arriva ora di pranzo. Poi un seminario, centrifughe, colture cellulari e, sparsi sui banconi, volantini di kit per l’estrazione di RNA quasi fossero banali frullatori da cucina.” Nella mia esperienza di laboratorio ho avuto occasione di approcciarmi alla tecnica del clonaggio, guidata dalla mia tutor Emanuela, del gruppo Scita. Con clonaggio si intende quel processo in cui si seleziona un determinato gene per inserirlo in un vettore circolare di DNA: si può pensare ad un braccialetto, il vettore, formato da molte perline, le basi azotate, in cui deve essere inserita in un ordine ben preciso una sequenza di perline, ovvero di basi che compongono il gene da clonare. L’assemblaggio di questi braccialetti di varia natura permette agli scienziati di studiare la proteina in analisi nel contesto che più facilita la ricerca. È il caso del mio laboratorio, dove abbiamo fatto un subclonaggio: abbiamo prelevato la proteina SOS1, coinvolta nell’insorgenza della leucemia, da un vettore già esistente e l’abbiamo trasferita in un vettore con una proteina a fluorescenza rossa per poter comprendere se fosse stata clonata con successo con successo per poi utilizzarla in esperimenti ben più complessi sulla via della ricerca contro la leucemia. Si può quindi notare come il clonaggio e la sua verifica, pur richiedendo molte ore e grande impegno, siano solo step introduttivi al vero e proprio lavoro di ricerca contro la patologia: prima di assemblare il braccialetto bisogna accertarsi che le perline non siano di fattura scadente, dopo averlo costruito bisogna esser certi che non sia fragile o instabile e che le perline siano state inserite nel modo corretto per poterlo utilizzare. È questo aspetto quello che più di tutti stupisce: la ricerca richiede tempo, lentezza e pazienza, perlina dopo perlina. La Scienza cambia un grande universo a piccoli passi. Scuola Tutor Gruppo/Unità Istituto Giacomo Leopardi, Lecco LC Emanuela Frittoli Meccanismi di migrazione delle cellule tumorali 11 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Forbici molecolari del DNA Luca Fusar Bassini “Dieci giorni di stage che non si dimenticano: non attività scolastiche per studenti ma la possibilità di seguire da vicino un vero percorso di ricerca.” Così come noi, i batteri hanno sviluppato nel corso dell’evoluzione delle forme di difesa. Recente è la scoperta del meccanismo CRISPR/Cas9: i batteri, per difendersi da successivi attacchi di virus, cercano di memorizzarne le caratteristiche, ricordando le sequenze specifiche di DNA. Una volta individuati questi punti, essi vengono copiati ed inseriti nel genoma batterico (spacers), separati da particolari sequenze ripetute (repeats). Entrambe le sequenze vengono poi trascritte in RNA (CRISPR RNA), che si lega ad una proteina Cas9. Cas9 ha due domini endonucleasici in grado di tagliare una molecola di DNA. Al momento di un nuovo attacco virale, quando CRISPR/Cas9 riconosce molecole di DNA complementari agli spacers, procede al taglio in quel sito, frammentando il DNA virale. Negli ultimi anni, nell’ambito dell’ingegneria genetica, CRISPR/Cas9 si è rivelata uno strumento eccezionale per modificare il DNA in punti specifici. Tagliare il DNA permette di produrre mutazioni nei geni per studiarne la funzionalità, specialmente nell’ambito dello studio di malattie complesse come le neoplasie. Nel corso dei miei giorni di stage in Cogentech ho potuto assistere a un’applicazione pratica di questa tecnica. Il fine del nostro esperimento era, infatti, di tagliare il DNA di cellule della retina e inserirvi un gene codificante per una proteina fluorescente in un punto specifico, così da ottenere una proteina di fusione, la cui attività potesse essere monitorata tramite fluorescenza. Scuola Tutor Gruppo/Unità Liceo Scienze Applicate Galilei, Crema CR Mario Cinquanta Unità tecnologica Cogentech di Genome editing 12 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Molto più che semplici uova Vincenzo Lo Greco Le cellule tumorali hanno un patrimonio genetico alterato e spesso accumulano mutazioni durante la replicazione del DNA. Perciò comprendere come il DNA viene replicato e riparato in caso di danni è fondamentale per la ricerca sul cancro. In questi processi sono coinvolte proteine in molti casi “essenziali”, cioè molecole la cui alterazione o rimozione è letale per la cellula. Queste proteine non possono essere analizzate con la genetica classica, rimuovendole dalle cellule e osservando gli effetti della loro assenza. Il problema però può essere risolto con la creazione di un sistema “cell-free”, un modello che riproduce fedelmente in vitro (in provetta) la replicazione e i meccanismi di riparazione correlati. L’organismo modello utilizzato dal gruppo di laboratorio in cui ho lavorato è lo Xenopus Laevis, una rana acquatica. L’estratto di uova di questo anfibio contiene tutte le proteine necessarie per riprodurre in vitro tutte le fasi del ciclo cellulare dopo l’aggiunta del DNA proveniente dallo sperma di X. Laevis. In questo sistema “acellulare” si può studiare il ruolo nei meccanismi di replicazione e riparazione anche di proteine essenziali. Infatti, dall’estratto fertilizzato (ovvero l’estratto a cui è stato aggiunto lo sperma) si possono rimuovere con anticorpi specifici proteine senza ottenere effetti letali oppure aggiungerle e osservare gli effetti di queste manipolazioni su replicazione e riparazione del DNA. “Mi ha sorpreso l’importanza del lavoro di squadra nell’attività sperimentale: il progredire della ricerca è determinato proprio da questa condivisione.” Scuola Tutor Gruppo/Unità Liceo Scientifico Statale Volta, Foggia FG Anna de Antoni, Giulia Rota Metabolismo del DNA 13 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Uno speciale controllo qualità Matteo Patti “È stata la mia prima esperienza lavorativa: un tuffo nel mondo della ricerca scientifica che mi ha fatto comprendere quanto è difficile raggiungere i risultati. Piccole conquiste che potrebbero apparire insignificanti ma che, in realtà, rappresentano preziosi passi che ci avvicinano al traguardo della sconfitta del cancro.” La ricerca biomedica si avvale di due metodologie di studio: gli studi in vivo, cioè nell’animale in toto, o in vitro, utilizzando delle colture cellulari, campioni in vetrino. Usando contemporaneamente più linee cellulari insorge il rischio di contaminazione tra queste da parte di organismi estranei o da altre linee cellulari. Da ciò emerge l’importanza del controllo qualità, come quello di autenticazione che è in grado di identificare le varie linee cellulari umane, attraverso l’analisi degli STR (short tandem repeats, brevi sequenze ripetute). Gli STR sono costituiti da 2 a 5 nucleotidi e si trovano in regioni specifiche del cromosoma, i LOCI (plurale di LOCUS). Ad ogni locus corrispondono due alleli che possono essere uguali, nel genotipo omozigote, o diversi nell’eterozigote. L’analisi degli STR permette di creare un profilo che è proprio di ogni linea cellulare. In quest’unicità del profilo di ogni linea troviamo un parallelismo con il profilo del DNA di ogni persona che viene utilizzato nel test durante le indagini investigative. Nel periodo di stage che ho trascorso presso il laboratorio di Cell Culture ho eseguito l’analisi degli STR per verificare la non cross-contaminazione di due linee cellulari (Wi-38 e HeLa) e l’identificazione di un campione incognito, risultato un mix di queste due linee. Analizzando i dati, si capisce ancor di più quant’è importante il controllo qualità delle linee cellulari. Si ritiene infatti, più del 20% delle linee cellulari sono cross-contaminate e questo comporta uno spreco di anni di lavoro e di fondi impegnati nella ricerca. Scuola Tutors Gruppo/Unità ISIS Salerno, Gangi PA Federica Poletti e Laura Carmignani Unità Colture cellulari 14 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Semafori molecolari Andrea Giorgia Piotti “La mia esperienza in IFOM è stata WOW: la collaborazione tra i laboratori, la disponibilità e la passione dei ricercatori e la meravigliosa opportunità di poter vivere in prima persona la ricerca.” La fase in cui una cellula si divide originando due cellule figlie è detta mitosi ed è costituita da molti processi molecolari. Oggi è noto che le cellule tumorali proliferano in maniera illimitata andando incontro ad un numero eccessivo di eventi mitotici. Per questo motivo studiare la regolazione della mitosi è fondamentale per la ricerca sul cancro. Durante la mia esperienza in IFOM ho studiato la regolazione del checkpoint mitotico, in inglese Spindle Assembly Checkpoint (SAC), che, agendo come un semaforo, segnala alla cellula quando può passare dalla fase intermedia della mitosi a quella finale, impedendo errori nella distribuzione dei cromosomi alle cellule figlie. Durante la mitosi, i cromosomi si allineano al centro della cellula e i microtubuli, provenienti dai due poli estremi, li separano in due cromatidi fratelli che costituiranno il materiale genetico delle cellule figlie. Il SAC coordina l’attività dei microtubuli e rimane attivo finché essi non hanno legato tutti i cromosomi. Come fanno i ricercatori a studiare il SAC? Esistono diverse strategie, una di queste è l’utilizzo di trattamenti farmacologici che inibiscono la formazione dei microtubuli, così da poter osservare il comportamento della cellula in queste condizioni. Un altro metodo è il silenziamento di geni coinvolti nel SAC, in modo tale da analizzare l’andamento della mitosi a seguito di queste variazioni. Scuola Tutors Gruppo/Unità IIS Beretta, Gardone Val Trompia BS Tiziana Lischetti Biologia quantitativa della divisione cellulare 15 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Next Generation Sequencing: la tecnologia del futuro Nicholas Sbrenna Trent’anni fa non era nemmeno pensabile un intero sequenziamento del genoma umano. Oggi, in seguito a varie scoperte, tutto ciò è possibile. Con la NGS (Next Generation Sequencing) si possono sequenziare genomi di moltissime specie (compresa quella umana) in poche ore, attraverso vari passaggi con l’aiuto di specifiche tecnologie. Il procedimento richiede una notevole precisione (poiché gli strumenti lavorano soltanto in determinate condizioni), ma i risultati sono notevoli e indispensabili per molti ricercatori. Avendo potuto sperimentare ciò in prima persona, ne sono rimasto davvero colpito. Tutto comincia con i vari controlli di qualità e quantità sui campioni, che vengono trattati fino ad avere dei frammenti di DNA compatibili con il sequenziatore, il vero protagonista della NGS. A questo punto entra in scena la figura del bioinformatico, che sviluppa programmi per analizzare i dati ottenuti dal sequenziamento e li discute con il ricercatore. È strabiliante il progresso portato dalla NGS: se per il primo sequenziamento del genoma umano ci sono voluti circa 12 anni e un milione di dollari, oggi bastano circa 3 ore e 1000 dollari. Questa nuova tecnologia ha già in parte cambiato il volto della ricerca sul cancro, permettendo di effettuare test genetici in minor tempo e con minori risorse. “Dal punto di vista umano, i ricercatori che ho conosciuto mi hanno sbalordito: gentili, disponibili, simpatici e mi hanno trattato sempre quasi come un loro pari.” Scuola Tutors Gruppo/Unità Liceo Scientifico Statale Donatelli, Terni TR Mirko Riboni Unità Tecnologica Genomica 16 Lo Studente Ricercatore La summer school di IFOM Lo Studente Ricercatore è un progetto Youscientist di IFOM, Istituto FIRC di Oncologia Molecolare. Credits CONCEPT & TESTI Assunta Croce, Gilda Nappo DESIGN Deborah Agostini Articoli divulgativi a cura degli Studenti Ricercatori 2016 FOTO CREDITS Cinzia Villa, © kotoffei /Fotolia, © faber14 /Fotolia, © VIGE.co/ Fotolia, © avian/Fotolia Copyright © 2017 IFOM Tutti i diritti sono riservati, incluso il diritto di riproduzione totale o parziale in ogni forma. Giovanni Baronchelli Luca Fusar Bassini Nello Manuel Bellissimo Vincenzo Lo Greco www.ifom.eu Michelle Cescutti Rebecca Coppedè Angela Ferrari Matteo Patti Andrea Giorgia Piotti Nicholas Sbrenna 17