Il programma

Il programma prevede la creazione di un laboratorio interdisciplinare la cui missione è "Merging chemical and biological complexity (COMP-HUB)". COMP-HUB è un laboratorio a rete, costituito da un gruppo interattivo di chimici, biologi e geologi che dispongono di opportuni spazi e strumentazione dedicati alla:

1. progressione delle conoscenze di base dei sistemi complessi e delle loro proprietà collettive sia in Chimica che in Biologia, con possibili ricadute nell'ambito delle Geoscienze e della Sostenibilità; in particolare ci si pone l'obiettivo di reclutare esperti in fase di crescita della loro carriera e giovani ricercatori e stimolarli ad intraprendere ricerche in ambiti innovativi ambiziosi di tipo interdisciplinare, identificabili in vari working group come descritto al punto 4;
2. guidare e potenziare il processo di formazione di giovani ricercatori mediante i corsi di Laurea Magistrale, Dottorato e le posizioni post-doc; migliorare le attività didattiche e l'attrattività del Dottorato mediante l'incremento delle figure di visiting professor; gestire in sinergia i programmi di mobilità internazionale e internazionalizzazione dei corsi;
3. gestire efficacemente le risorse per la ricerca, con il coinvolgimento di un manager amministrativo ed di uno steering commitee scientifico, coordinati con il Dip.to e il suo sistema di gestione di qualità;
4. contribuire allo sviluppo delle aree scientifiche di riferimento e alla corrispondente crescita delle conoscenze.

Le attività di COMP-HUB si sviluppano attorno a 5 sfide di innovazione di notevole portata che identificano ciascuna un working group:

WG1 Dalle molecole alla vita Studio delle relazioni fra molecole organiche e network biologici (genetici, metabolici, epigenomici etc) per la comprensione, manipolazione e ingegnerizzazione dei sistemi biologici. Competenze avanzate di scienze chimiche e biomolecolari verranno combinate per un'espansione nei più attuali campi di indagine di synthetic biology e systems biology, che trovano a livello internazionale i loro riferimenti nei laboratori più avanzati (es. Synthetic Biology Center MIT). In questo settore le competenze presenti in Dip.to e riconosciute internazionalmente nel campo dello studio delle interazioni molecolari e biomolecolari (Chimica Supramolecolare e Bioorganica, Biochimica e Biologia Molecolare), potranno compiere un ulteriore salto di qualità verso sistemi di maggior complessità ed interesse applicativo.

WG2 Dalle molecole ai materiali Studio delle relazioni fra struttura e proprietà nei materiali molecolari e polimerici, con particolare riferimento ai composti per la fotonica ed elettronica avanzate, e alla loro interazione con i substrati inorganici. Il binomio sintesi/chimica supramolecolare consente di ingegnerizzare a livello atomico le proprietà dei materiali in processi di sintesi bottom-up completamente controllati. Lo sviluppo di materiali avanzati e multifunzionali con capacità autoriparanti ed autodiagnostiche, biocompatibili per applicazioni bio-mediche, (compositi avanzati, fluorofori per microscopia, nanoparticelle per teranostica, biopolimeri, materiali bio-responsive) si inserisce naturalmente nel progetto di sviluppo, a partire dalle solide e internazionalmente riconosciute attività di ricerca nel settore. Particolare attenzione verrà riservata alla ricerca sui materiali riciclabili e sostenibili.

WG3 Dalle molecole ai dispositivi Realizzazione di dispositivi basati su superfici e materiali che utilizzino molecole biologiche o biomimetiche: studio delle proprietà delle interfasi e della interazione con materiale biologico, progettazione di sistemi smart con componenti chimici (nanomateriali, dendrimeri) e biologici (peptidi, proteine, DNA, aptameri) abbinati a strumentazione analitica avanzata (MS-based, sensori a trasduzione elettrochimica e ottica). Questa attività beneficerà del WG1 per l'individuazione di nuovi biomarker.

WG4 Dalle molecole alla complessità Studio teorico e spettroscopico di sistemi modello a complessità crescente, ingegnerizzati in WG1 e WG2, per costruire quadri esplicativi del passaggio da sistemi semplici a sistemi aggregati ed interagenti, alle diverse scale. La delicata transizione da strutture microscopiche tipicamente quantistiche, a strutture macroscopiche (termodinamiche) sarà affrontata utilizzando le tecniche di analisi proprie dei sistemi quantistici aperti, un campo di ricerca attualissimo, che rientra negli obiettivi del programma europeo Flagship Quantum Technology.

WG5 Sostenibilità ambientale Studio della componente vivente del mondo naturale ai diversi livelli di organizzazione, dalla cellula agli ecosistemi, non può prescindere dalla compenetrazione e dai rapporti causali reciproci dei suoi diversi livelli (biomolecole, cellule, organismi, popolazioni) e dal suo essere in un ambiente in larga misura non vivente. Gli effetti di specie chimiche naturali o di sintesi saranno studiati in modo integrato su cellule, organismi, popolazione, catena alimentare ed ambiente, sia dal punto di vista della loro interazione coi sistemi biologici (es. environmental epigenomics) sia da quello delle possibili azioni di sostenibilità ambientale (es. strategie di biorisanamento).  In questo ambito si svilupperanno interazioni con campi specifici delle geoscienze (mineralogia ambientale, paleobiologia, geomicrobiologia) rivolti alla esplorazione di ambienti estremi per la vita, alla comprensione del ruolo dei microrganismi nella cristallizzazione di minerali e nei processi biogeochimici, e alla documentazione negli archivi geologici dell'evoluzione dei sistemi viventi e degli ambienti a varie scale temporali e spaziali. Questo WG si occuperà anche della sostenibilità ambientale delle attività di ricerca e dei prodotti di tutti i WG.

Gli studi descritti al punto 4 rappresentano la core activity di COMP-HUB, che si propone come punto di ideazione, organizzazione e sviluppo delle ricerche descritte, con l'obiettivo di mantenere la ricerca a livello di frontiera in ambito internazionale. Le ricadute a livello applicativo previste sono numerose e diversificate nei principali settori considerati come Key Enabling Technologies.

Le principali sono:

1. Costruzione di dispositivi diagnostici e strumenti per la teranostica (diagnostica e terapia) a partire da nuovi biomarkers anche ottenuti attraverso (epi)genome expression profiling inclusivo di non coding RNA.
2. Nuovi materiali funzionali molecolari e polimerici, per applicazioni nella fotonica, elettronica e nei compositi avanzati; materiali biomimetici e biocompatibili.
3. Nuovi strumenti chimici e biotecnologici per la regolazione di processi biologici ai fini terapeutici e di produzione (es. ingegneria proteica per la generazione di nuovi vaccini e farmaci, potenziali nuovi farmaci in grado di interagire con i network biologici).

Il quadro che unifica tutte queste applicazioni è la progettazione e costruzione di sistemi complessi le cui proprietà emergenti sono il risultato dell'attività di ricerca proposta nei WG 1-5. Esse possono essere realizzate solo unendo le competenze previste dal progetto.

Particolare attenzione verrà posta alla sostenibilità ambientale di tutte le applicazioni realizzate e in maniera pervasiva di tutte le attività del progetto. Il trasferimento tecnologico (TT) dei risultati della ricerca sarà curato con particolare attenzione per permettere la massima fruizione dei risultati raggiunti da parte del mondo produttivo. Il TT opererà su due livelli: individuazione dei risultati di interesse applicativo e eventuale protezione brevettuale; promozione presso aziende potenzialmente interessate mediante road-show tecnologici da parte dei ricercatori coinvolti.