L`unita` di ricerca di Pisa e` costituita da personale dell`Ist

COMPETENZE: L'unita' di ricerca di Genova e` costituita da personale dell'IST,
Istituto Nazionale per la Ricerca sul Cancro, IRCSS. Le competen ze vanno dalla
Genetica (Biologia Molecolare sperimentale), alla citologia e colture cellulari e di
organismi in vitro, a competen ze teoriche sullo studio delle reazioni chimiche
complesse e dei sistemi dinamici (spatially extende d dynamical systems), al
momento sono presenti due PostDoc con dottorato e Laurea in Ingegneria
Elettronica e BioIngegneria e Fisica e Fisica Atomica, con competen ze sia teoriche
sia di elettronica e sviluppo software.
CONTESTO DI RICERCA: L'argomento principale di ricerca al momento, finanziato
per i prossimi tre anni da fondi MIUR, e` lo studio, il piu' possibile analitico, della
gastrulazione nel Nematode Caenorhabditis elegans . Questo modello sperimen tale
e' stato scelto per le sue caratteristiche di ripetibilita ` che permettono la riduzione
drastica delle variabili nello studio dinamico del processo. La gastrula zio ne,
fenomeno biologico che e' l'inizio dello sviluppo embrionale, con la formazione dei
foglietti embrionali primari, riassume, su di una scala dimensionale di 50 micron e
con circa 400 cellule, fenomeni generali propri della regolazione genica. Questo
fatto permette lo studio della regolazione genica con dettagli e con una precisione
impossibile nella maggior parte degli altri sistemi sperimentali disponibili.
OBIETTIVI: Gli obiettivi, in via generale, sono principalmente quattro:
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Valutazione quantitativa della espressione genica per i geni coinvolti nella
gastrulazione, sia con esperimen ti mirati sia dalla letteratura.
Costru zio ne di una banca dati dei geni coinvolti e delle morfologie embrionali su
di una base quantitativa, misura di tutte le posizioni di tutte le cellule degli
embrioni mediante analisi di immagine.
Costru zio ne di un sistema di microscopia per l'acquisizione automatica delle
immagini per la determina zione quantitativa delle dinamiche cellulari:
movimenti cellulari ed espressione di geni specifici.
Costru zio ne del software sia per il sistema di banca dati, sia per la gestione
dell'hardware di microscopia.
Analisi teorica dei dati sperimentali, costru zione di modelli teorici per la
validazione degli stessi e per la analisi- razionalizza zione del problema.
Obiettivi in merito al presente progetto : stante la disponibilita' degli strumen ti
discussi di seguito si vuole indagare il rapporto genotipo - fenotipo nei termini della
stabilita' strutt ur ale finale: variazioni di strutt ur a degli embrioni a seguito di
fenomeni muta zionali (indotti con mutageni), studio della stabilta' fenotipica al
livello di organismo a seguito di mutazioni con metodi quantitativi, studio della
stabilita' della rete genica che controlla la replica cellulare, esperimenti di
pertu rba zio ne della dinamica della gastrulazione mediante mutanti temperat u ra
sensibili, compara zione con modelli teorici ed analisi delle serie temporali
sperimen tali.
METODI: In un ambito generale il progetto si pone al confine tra diversi campi di
indagine. I metodi utilizzati coprono competenz e diverse su almeno tre livelli:
Biologia, Ingegneria, Fisica. Al momento sono stati costruiti, o sono in costruzione,
i seguen ti sistemi:
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Banca dati della letteratura e sistema software per la gestione delle interrelazioni
tra geni.
Sistema di stoccaggio delle informa zioni da 1 Tera.
Sistema di database basato su MySQL, con possibilita' di gestire sino a 50 Tera
teorici, nella figura seguente e' riportata una tabella per la raccolta dati in merito
all'espressione genica dalla letteratura.
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Sistema di acquisizione dati di microscopia, stack di immagini sulle dinamiche di
sviluppo, per la ricostru zione delle morfologie embrionali. Microscopio,
telecamera, sistema di controllo della temperat ur a degli embrioni, sistema di
controllo del fuoco del microscopio, automatiz z a zione del ciclo di raccolta dati.
Per ogni esperimento si prevede uno stream di dati di circa 20 Gb.
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Sistema di analisi grafica dei dati, da accoppiare al sistema di simulazione. Si
riporta la ricostr u zione di un embrione alla fine della gastrulazione nella figura
sottosta n te come esempio (ricostruzione di dati sperimentali mediante fake
spheres, corrispon de nti alle posizioni dei nuclei delle cellule dell'embrione, ogni
sfera corrispon de ad un nucleo di una cellula).
RICADUTE DEL PROGETTO: Il progetto ha valenza generale e di ricerca di base, le
possibili ricadute sono quindi ad ampio spettro sia per quanto riguarda i due
aspetti principali in merito:
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Acquisizione di competen ze da parte dei PostDoc coinvolti nel progetto:
acquisizione di competen z e miste negli ambiti di ricerca di: sistemi dinamici,
biologia molecolare, microscopia, sistemi automatiz z a ti, sviluppo software,
banche dati.
Aspetti di sviluppo tecnologico:
– sviluppo di un prototipo di sistema integrato per l'analisi delle dinamiche
cellulari al livello di microscopia ottica, sia in trasmissione sia in fluorescen za.
– Sviluppo
di tools informatici per l'analisi della letteratura
e la
razionalizza zione dei dati di espressione genica.
– Sviluppo di modelli teorici per la simulazione e l'analisi di sistemi biologici.
Sviluppo
delle
conoscenze:
studio
dei
meccanismi
di chemiotassi,
differenzia zione, regolazione della informa zione posizionale, in generale studio
dei meccanismi di regolazione genica. Ricadute possibili su diversi ambiti sia di
ricerca di base sia di applicazioni biotecnologiche o relative alla patologia.