Enhancing Photosynthesis

La fotosintesi è il processo mediante il quale la luce solare è convertita in potenziale chimico, utilizzabile dagli organismi, e rappresenta pertantp il sito primario si produzione energetica nella biosfera. In condizioni ottimali le relazioni di foto-conversione procedono con una resa quantica estremamente elevata (80-99%). Lo studio di questi sistemi biologici può quindi rappresentate un paradigma utile per l’implementazione di materiali e strategie che li imitino per applicazioni fotovoltaiche e fotocatalitiche. D’altro canto, in condizioni naturali, a causa di variabilità e fluttuazioni ambientali, la resa fotosintetica è generalmente più bassa di quella ottimale e questo può portare a una riduzione della produttività, soprattutto per quanto riguarda le colture agricole. Pertanto, lo studio dei processi, come la raccolta della luce e il controllo dell’efficienza di raccolta, potrebbe portare ad un miglioramento della produttività delle colture ed essere quindi vantaggioso dal punto di vista sociale.

Il progetto “Enhancing Photosintesi” si propone di affrontare alcuni di questi aspetti, studiando sia i fattori che influenzano la produttività delle colture/piante, sia i loro meccanismi molecolari, sia i meccanismi fondamentali di conversione dei fotoni nei fotosistemi con l’obiettivo di trasferire alcune delle loro caratteristiche in sistemi biomimetici artificiali.

Il progetto prevede inoltre lo sviluppo di una piattaforma spettroscopica (ottica) per lo studio dei processi fotosintetici sia in(super)complessi clorofilla-proteina isolati, sia in sistemi fotosintetici intatti così come in sistemi sintetici artificiali (anche allo stato solido). La strumentazione coprirà oltre ad un ampio intervallo temporale (dai femto ai millisecondi) anche una ambia banda spettrale (dal vicino UV al vicino IR). Questa piattaforma sarà basata sia su strumentazioni già esistenti presso il CNR Milano e al PoliMI,  le cui caratteristiche saranno sostanzialmente estese/implementate per renderle adatte allo studio di campioni molto diversificati e complicati da studiare a causa dell’elevata dispersione della luce che presentano. E’ fine del progetto rendere questo “hub” spettroscopico aperto che rappresenti una struttura di duratura che possa aggregare e promuovere la ricerca in fotosintesi, e su argomenti strettamente correlati, a livello regionale e possibilmente nazionale.

Recupero ad ampio spettro della secrezione di glicoproteine T-dark mutanti

Per svolgere la propria funzione, tutte le proteine devono acquisire una forma ben specifica. Negli esseri viventi esiste in ogni cellula una macchina molto efficiente che trattiene qualsiasi proteina che non abbia completato la maturazione, rilasciandola soltanto quando ha raggiunto la forma e funzione corretta. Questo sistema di controllo di qualità è molto utile nelle persone sane; alcuni individui, però, nascono con delle mutazioni nel DNA che provocano un difetto in una proteina senza tuttavia abolirne totalmente la funzionalità. Se questo rigido controllo di qualità trattiene all’interno della cellula delle proteine difettose non mature possono esserci conseguenze gravi per l’organismo. In questo progetto studieremo dieci proteine difettose, scelte tra circa 6.000 proteine umane di cui si sa molto poco o addirittura nulla (“Proteine T-dark”). La nostra ipotesi è che rendendo il controllo di qualità meno severo, la proteina difettosa e la sua attività possano essere in parte recuperate. Seguiremo la traiettoria cellulare di tali proteine difettose in cellule private del sistema di controllo qualità e verificheremo se alcune saranno in grado di arrivare correttamente a destinazione. Se la nostra ipotesi fosse confermata, fornirebbe il razionale per un approccio farmacologico in grado di rendere il controllore della qualità più tollerante ai difetti di proteine mutate. I nostri risultati porranno le basi per una possibile terapia di una vasta gamma di malattie rare, accomunate dal fatto di essere provocate dall’estrema efficienza del controllo di qualità quando la proteina difettosa del paziente è ancora attiva.

Dalla prima struttura cryo-EM del checkpoint di ERAD ai suoi inibitori: verso nuovi farmaci chemioterapici antitumorali

La degradazione associata al reticolo endoplasmatico (RE) è una strategia fondamentale della cellula eucariotica che le consente di degradare tutte le glicoproteine che non riescono a ripiegarsi correttamente, per evitare che un accumulo di glicoproteine mal ripiegate intasi il RE. La degradazione associata al reticolo endoplasmatico (ERAD) è avviata dal suo enzima di controllo, la mannosidasi di degradazione del reticolo endoplasmatico (EDEM), che è in grado di riconoscere qualsiasi glicoproteina mal ripiegata in modo terminale e di segnalarla per la degradazione. L’obiettivo specifico di questo progetto è identificare piccoli ligandi molecolari di HsEDEM3 che si leghino ai siti catalitici e/o allosterici e saggiare il loro potere inibitorio nella cellula. Questi ligandi costituiranno i punti di partenza per una futura chimica medicinale volta a sviluppare inibitori specifici per HsEDEM3. Attraverso lo screening Fragment Based Lead Discovery, ci proponiamo di identificare frammenti che si legano al sito catalitico di HsEDEM3 e composti che possono interferire con l’interazione del dominio catalitico con i domini C-terminali della stessa proteina. Il potenziale risultato a lungo termine di questo lavoro sarebbe un inibitore allosterico o un inibitore del sito catalitico di HsEDEM3 da usare in studi antivirali, antitumorali o per la terapia di alcune malattie rare. I nostri obiettivi sono: A: clonazione, espressione e purificazione di costrutti solubili del dominio catalitico GH47 dell’EDEM3 umana; B: cristallizzazione dei costrutti solubili del dominio catalitico GH47  dell’EDEM3 umana ottenuti al punto 1; C: Scoperta di ligandi dei costrutti solubili del dominio catalitico GH47 di EDEM3 umana (tramite Fragment-Based Lead Discovery con i cristalli ottenuti in 2.); D: Saggi di inibizione cellulare e in vitro di HsEDEM3 umano per verificare se i frammenti di ligandi di EDEM GH47 ottenuti in 3. sono inibitori di EDEM3

Ruolo dell’attività ossidoriduttiva del checkpoint di ERAD (EDEM:PDI) nell’invecchiamento

In un modello di Drosophila, è stato riscontrato che la promozione della degradazione associata all’ER (ERAD) attraverso l’aumento dei livelli di proteine α-mannosidasi-simili (EDEM) che condannano glycoproteine misfoldate a ERAD fornisce protezione contro la proteinopatia cronica dell’ER senza causare alcuna tossicità (10.1016/j.devcel.2017.05.019). Questo effetto protettivo è stato osservato senza influenzare la rete di espressione genica UPR. È interessante notare che in questi moscerini, con l’invecchiamento del cervello, l’attività ERAD è diminuita, ma l’upregolazione degli EDEM ha contrastato il declino comportamentale legato all’età e ha prolungato la durata della vita. In particolare, l’attività mannosidasica delle EDEM non era necessaria per questi effetti protettivi. Di conseguenza, il potenziamento della funzione degli EDEM nell’ERAD è promettente come potenziale bersaglio terapeutico per le malattie croniche. La nostra recente struttura Cryo-EM di un complesso EDEM:PDI suggerisce che l’attività redox del complesso è importante per la sua funzione: le glicoproteine clienti possono essere reclutate al complesso tramite disolfuri misti alla PDI. Utilizzeremo chimica delle proteine e biologia strutturale per confermare l’importanza dell’attività redox del checkpoint di misfolding ERAD, che a sua volta può spiegare il ruolo osservato di EDEM nell’invecchiamento, indipendentemente dalla sua attività di mannosidasi.

Determinazione della struttura del corpo proteico del mais, la gabbia del cibo

Il seme della pianta di granturco (Zea mays, detto anche mais) contiene zeine, proteine di stoccaggio del seme situate nel lume del Reticolo Endoplasmatico (ER) delle sue cellule. La principale proteina di stoccaggio del seme di mais, la Zea mays 27g-zeina (Zm27g-zeina), polimerizza nell’ER del seme di mais per formare grandi gabbie – che poi accumulano al loro interno altre proteine di stoccaggio del seme di mais, fornendo così un’impalcatura strutturale al corpo proteico (CP) che è la principale fonte di cibo del seme. L’N-terminus di Zm27g-zeina è necessario per la polimerizzazione che forma la gabbia PB – e il C-terminus della proteina si folda come un dominio di 2S-albumina – ma non sono disponibili strutture per l’intera proteina né per uno dei due domini separatamente. I modo in cui la Zm27g-zeina dà origine alla struttura molecolare della gabbia del CP è del tutto sconosciuto, comprese questioni quali la coesistenza intermolecolare Zm27g-zeina: interazioni covalenti e non covalenti tra monomeri di Zm27g-zeina  formano la gabbia del CP; ci sono pori nella gabbia del CP e, in caso affermativo, di quali dimensioni; o l’orientamento relativo dei termini N- e C- nel contesto della gabbia del CP completamente formata (i termini N-/C- di Zm27g-zeina sono all’interno del CP, o all’esterno, o entrambi? ). Queste domande sulla gabbia di Zm27g-zeina del CP sono molto importanti per le applicazioni nei campi della scienza alimentare, dell’espressione di proteine ricombinanti, della farmacologia e delle nanotecnologie. Risponderemo a queste domande utilizzando la microscopia confocale, la cristallografia a raggi X e la crio-EM.