Il Dipartimento di Bioscienze, Biotecnologie e Ambiente, in collaborazione con il Dipartimento di Fisica, realizzerà un’infrastruttura informatica dedicata presso il centro dati ReCaS, che attualmente ospita la struttura di calcolo ELIXIR-IT. Questa struttura offre un ricco portafoglio di strumenti e dati per l’analisi di insiemi di dati omici. Il framework sviluppato adotta soluzioni per la sicurezza dei dati e promuove il paradigma dell’infrastruttura informatica orientata ai dati FAIR, “il più possibile aperta e il più possibile chiusa”. Sulla base di specifiche richieste ricevute dai ricercatori di questo e di altri spoke, strumenti bioinformatici, genomi di riferimento e servizi saranno installati e disponibili come ambienti virtuali e container. Uno sforzo specifico è dedicato all’identificazione di neo-antigeni per la vaccinologia dell’mRNA generati da mutazioni puntiformi somatiche e riarrangiamenti strutturali, splicing alternativo o modifiche post-trascrizionali dell’RNA.

Il Dipartimento di Farmacia si occupa della modellazione 3D di proteine e/o acidi nucleici. Questa attività comprende la modellazione delle interazioni proteina-proteina, proteina-ligando e proteina-acido nucleico e la stima della loro affinità di legame sia in silico attraverso l’impiego di strumenti per il calcolo dell’energia di interazione, sia in vitro attraverso diversi saggi basati sull’impiego della calorimetria isotermica di titolazione, dei saggi di legame Thermal Shift e dell’elettrofisiologia basata su membrane a supporto solido.

Il Dipartimento di Informatica offre la progettazione, lo sviluppo e la valutazione sperimentale di nuove tecniche di apprendimento automatico per la modellazione descrittiva e predittiva di dati multi-omici organizzati come reti informative eterogenee per identificare nuovi biomarcatori di malattia.

Il Dipartimento di Scienze del Farmaco si concentra sulle attività di implementazione e validazione delle due metodologie computazionali. La prima metodologia, Dynamic Molecular Docking (DMD) è un nuovo protocollo basato sulla dinamica molecolare supervisionata (SuMD) sviluppato per affrontare la flessibilità di RNA e proteine e l’inclusione di solventi espliciti nel docking molecolare locale. L’RNA appartiene a una classe di ligandi per i quali le prestazioni di docking traggono particolare vantaggio dal superamento di queste sfide, poiché si tratta di polimeri periodici, altamente flessibili e con carica negativa. L’altra metodologia, Thermal Titration Molecular Dynamics (TTMD), mira a ottenere uno strumento computazionale per anticipare la stabilità energetica dei complessi ligando-RNA, comprese piccole molecole, peptidi e proteine, e altri oligonucleotidi.

Il Dipartimento di Scienze Biomediche ha l’obiettivo di estendere le funzionalità del software RING per la generazione e visualizzazione di grafici di interazione atomica. Questa estensione faciliterà lo studio di RNA e di complessi RNA/proteine, nonché di piccole molecole, fornendo una descrizione fisico-chimica accurata. Il software sarà integrato con i visualizzatori di strutture molecolari e le piattaforme per la visualizzazione di reti comunemente utilizzate. L’obiettivo dell’estensione sarà quello di migliorare la nostra comprensione delle regioni intrinsecamente disordinate (IDR), che sono aree ricche di proteine che contribuiscono alla formazione di complessi con l’RNA. Analizzando i dati risultanti su larga scala, ci proponiamo di raccogliere informazioni che guideranno ulteriori studi strutturali e simulazioni di dinamica molecolare (MD). Inoltre, i risultati ottenuti da RING, insieme alla curatela della letteratura sui complessi proteina/RNA, amplieranno il contenuto e il repertorio funzionale del disordine all’interno dei database DisProt e MobiDB

Il Dipartimento di Fisica e Astronomia si concentra principalmente sullo sviluppo e sull’applicazione di metodologie informatiche/computazionali per supportare la progettazione e lo sviluppo industriale di farmaci a RNA in diverse aree terapeutiche come i tumori, le malattie neurodegenerative e le infezioni virali. Il dipartimento sviluppa applicazioni all’avanguardia di Intelligenza Artificiale (AI), Machine Learning (ML) e Geometria Computazionale (CG) in combinazione con simulazioni informatiche all’avanguardia basate su simulazioni atomistiche e quantistiche (che vanno dalla dinamica molecolare classica ai metodi di meccanica quantistica) per prevedere con precisione la struttura terziaria dell’RNA nativo e chimicamente modificato, e per analizzare la stabilità strutturale e l’esplorazione dello spazio conformazionale in soluzione dell’RNA nativo e chimicamente modificato.

Il Dipartimento di Scienze Chimiche contribuisce alla modellazione multi-scala di materiali morbidi per la somministrazione di RNA. Il dipartimento si concentra su sistemi come le nanoparticelle morbide costituite da lipidi, polimeri e tensioattivi e i coacervati di peptidi. I ricercatori studieranno le loro proprietà fisico-chimiche e strutturali e la loro stabilità in relazione a parametri termodinamici e di composizione, nonché il ruolo delle proprietà intrinseche dell’RNA, ad esempio la lunghezza, la sequenza, la struttura secondaria o la flessibilità. L’obiettivo è identificare i principi e i meccanismi di base che controllano le proprietà di equilibrio e di non equilibrio dei sistemi e fornire regole guida per la progettazione sintetica. Lo studio si basa su simulazioni classiche di dinamica molecolare, combinate con tecniche di campionamento avanzate. La qualità dei modelli utilizzati è fondamentale. L’uso di rappresentazioni a grana grossa, obbligatorio data la complessità chimica dei sistemi, deve essere finemente regolato per catturare il delicato gioco delle interazioni intermolecolari, che saranno integrate da modelli con risoluzione atomica che rendano accuratamente conto della specificità chimica.

Il Dipartimento di Medicina Molecolare opera all’intersezione tra biochimica e chimica computazionale, impiegando un duplice approccio. Sul fronte biochimico, questo approccio perfeziona meticolosamente i protocolli per l’esplorazione approfondita dello stato redox cellulare, un fattore cruciale in diverse malattie. L’obiettivo è valutare l’efficacia delle molecole identificate nel ripristinare l’equilibrio redox cellulare a livelli fisiologici. Questa valutazione comprende studi funzionali sugli epiteli cellulari condotti attraverso una tecnologia di camera avanzata. Il secondo approccio, dal punto di vista computazionale, prevede lo sviluppo e la validazione di protocolli di docking covalente. Questi protocolli sono progettati per identificare molecole elettrofile in grado di potenziare le difese antiossidanti primarie. Inoltre, il team utilizza tecniche computazionali per isolare molecole con farmacofori specifici in grado di intercettare selettivamente i radicali perossidici all’interno delle membrane biologiche.

Il Dipartimento di Medicina mira ad alimentare la scoperta, la selezione e la validazione clinica di marcatori molecolari/target di malattia in contesti oncologici inesplorati, come i tumori rari. Ottimizzare la stratificazione dei pazienti e fornire una terapia personalizzata sono le maggiori sfide della moderna oncologia. Il progetto genoma umano del cancro ha fornito una descrizione significativa del paesaggio molecolare della maggior parte dei tumori solidi, consentendo l’introduzione di nuovi approcci terapeutici mirati. Tuttavia, non sono stati prodotti dati significativi per le entità rare, soprattutto nell’ambito dei profili di espressione genica/dei biomarcatori basati su RNA. Ciò è dovuto principalmente a un’incompatibilità intrinseca delle analisi basate sull’RNA su tessuti fissati in formalina e inclusi in paraffina. Implementeremo una piattaforma multi-omica per una pipeline completa di caratterizzazione molecolare del cancro che include NGS per SNVs, CNVs, profili di espressione genica e profili di metilazione, IHC multispettrale e analisi di cellule singole FFPE. La comprensione dell’effetto del genotipo sul profilo di espressione genica è essenziale per comprendere i processi patologici e, in ultima analisi, consente di migliorare lo scenario terapeutico. Inoltre, lavorare a livello di singola cellula ci permetterà di ottenere una risoluzione completa dell’eterogeneità del tumore e di comprendere la priorità dei bersagli terapeutici.

L’Istituto Italiano di Tecnologia – IIT contribuisce allo studio delle molecole di RNA attraverso metodi computazionali integrati con esperimenti. Il lavoro computazionale comprende simulazioni sia quantistiche che classiche per chiarire come le molecole di RNA di rilevanza farmaceutica interagiscono con proteine e ligandi di piccole molecole. A tal fine, simulazioni di equilibrio e di campionamento avanzato per la simulazione dell’energia libera analizzeranno processi chimici come la catalisi mediata dall’RNA e il riconoscimento e il legame RNA-proteina. Inoltre, l’identificazione di piccole molecole mirate all’RNA e la loro ottimizzazione avverrà mediante approcci di docking dinamico in cui le simulazioni molecolari sono accoppiate a calcoli di docking più tradizionali. L’obiettivo finale di questo sforzo computazionale è quello di analizzare il meccanismo degli RNA catalitici e dei complessi RNA-proteine per generare potenti composti guida simili a farmaci per potenziali nuove applicazioni terapeutiche.

Il Dipartimento di Biologia si occupa di analisi integrativa dei dati in contesti di malattia e di controllo per lo sviluppo di modelli di riferimento di reti di regolazione genica, con particolare attenzione alle malattie autoimmuni. Il Dipartimento è inoltre coinvolto nella progettazione computazionale di aptameri inibitori contro la proteina HuR RNA binding, associata alla tumorigenesi, a patologie neurodegenerative e infiammatorie, e contro l’RNA polimerasi del Respiratory Syncytial Virus (RSV), un patogeno virale che causa infezioni respiratorie in neonati, bambini e anziani.

Il Dipartimento di Medicina dei Sistemi studia gli lncRNA coinvolti nelle diverse risposte ai farmaci biologici nell’artrite infiammatoria, analizzando anche il loro profilo di espressione e la variabilità genomica.

Il Dipartimento di Biomedicina e Prevenzione combina approcci bioinformatici e sperimentali per esplorare la fattibilità degli strumenti di editing dell’RNA sito-diretto nella correzione delle mutazioni a livello di RNA.

Il Dipartimento di Medicina Sperimentale si concentra sull’identificazione di lncRNA specifici per l’epitelio come bersagli trascrizionali del gene master TP53. Ciò comporta la caratterizzazione della loro espressione e della regolazione della loro trascrizione a livello epigenetico e lo studio del loro ruolo mediante esperimenti di knockdown in vitro e della loro rilevanza per lo sviluppo epiteliale.

Il Dipartimento di Informatica si concentra su due punti principali. La costruzione e l’implementazione software di un Knowledge Graph (RNA-KG) “basato sull’RNA”, raccogliendo informazioni e dati sull’RNA codificante e non codificante e sulle sue relazioni con le molecole che interagiscono con l’RNA e i concetti biomedici. In secondo luogo, il dipartimento progetterà un’efficiente implementazione software di metodi di intelligenza artificiale (AI) per l’analisi dell’RNA-KG a supporto della ricerca di base sulla biologia dell’RNA e della scoperta di nuovi farmaci a base di RNA.

Il Dipartimento di Bioscienze si propone di sviluppare framework bioinformatici completi per l’identificazione, l’assemblaggio e la caratterizzazione funzionale del genoma virale, nonché per l’identificazione di potenziali bersagli di RNA-terapia in diversi modelli di malattia.

Il Dipartimento di Scienze Farmaceutiche si propone di sviluppare approcci computazionali per caratterizzare le strutture dei sistemi a RNA e per prevedere l’energia libera di legame di piccole molecole (oligonucleotidi PNA e morfolino) sulle proteine leganti l’RNA, per identificare nuovi candidati farmaci a base di RNA.

Il Dipartimento di Fisica “Ettore Pancini” guida lo sviluppo di approcci predittivi per caratterizzare come le mutazioni alterano la rete di contatti regolatori dei geni con i loro enhancer.

Il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Tecnologie dell’Informazione si concentra sullo sviluppo di approcci integrativi multi-omici per la stratificazione dei pazienti e la prioritizzazione degli antigeni.

Il Dipartimento di Farmacia ha tre obiettivi principali. Applicare approcci computazionali che caratterizzino le strutture, le dinamiche e i meccanismi d’azione dei sistemi di RNA. Sviluppare una piattaforma basata sull’intelligenza artificiale per un clustering efficiente delle strutture di RNA derivate da algoritmi comuni basati sul web. Inoltre, si sta avviando la progettazione e la sintesi computerizzata di nuove entità molecolari per piattaforme innovative di somministrazione dell’RNA.

Il Dipartimento di Scienze Biomediche Avanzate studia le interazioni di nanomateriali di vario tipo con le membrane biologiche di cellule umane vive, sia normali che tumorali, virus e batteri, sia gram-positivi che gram-negativi. Si concentrano inoltre su nanomateriali come il grafene e l’ossido di grafene, i TMD e l’antimonene, che vengono fabbricati e funzionalizzati ancorando biomolecole di vario tipo.

Il Consiglio Nazionale delle Ricerche – CNR partecipa allo Spoke 7 con quattro istituti che offrono competenze in simulazioni all-atoms e bioinformatiche. Le conoscenze acquisite con questi strumenti guideranno lo sviluppo di modulatori progettati per interferire con specifici processi di regolazione dell’RNA.

L’Istituto Officina dei Materiali (IOM) del CNR sfrutta le simulazioni all-atom per comprendere il meccanismo del metabolismo dell’RNA messaggero, di trasferimento e ribosomiale e l’impatto delle modifiche dell’RNA su questi processi. In questo contesto, lo IOM caratterizza anche la biogenesi delle modificazioni dell’RNA in sistemi di RNA naturali e artificiali per fornire approfondimenti sulle capacità catalitiche dell’RNA e utilizzarle come strumenti di editing del genoma. Queste conoscenze saranno sfruttate anche per identificare nuovi candidati farmaci mirati all’RNA o a base di RNA.

L’Istituto per le Tecnologie Biomediche (ITB) del CNR combina gli editor di basi CRISPR e gli approcci di screening high-throughput. Le attività di ricerca comprendono lo sviluppo di approcci computazionali per la progettazione e la selezione di RNA guida (gRNA) altamente efficienti per l’editing genico, nonché la creazione di strumenti bioinformatici per la progettazione in-silico di librerie di gRNA per eseguire meglio studi funzionali su larga scala di varianti genomiche.

L’Istituto di Scienze e Tecnologie Chimiche Giulio Natta (SCITEC) del CNR si concentra sulla caratterizzazione computazionale delle dinamiche strutturali dei miRNA implicati nello sviluppo dell’adenocarcinoma duttale pancreatico. L’obiettivo primario è identificare piccole molecole in grado di legarsi a questi miRNA e di interrompere il loro processo di maturazione. Inoltre, lo SCITEC sta sviluppando un protocollo di screening virtuale per identificare modulatori del complesso formato dalla proteina FUS e dal suo RNA bersaglio, un elemento cruciale nel contesto della sclerosi laterale amiotrofica.

L’Istituto di Chimica dei Composti Organometallici (ICCOM) si propone di esplorare lo studio computazionale delle proteine argonaute umane che agiscono come attori chiave nella regolazione genica guidata dai miRNA. Studiando diversi complessi RNA-proteina, si otterranno informazioni sulla modulazione della funzionalità delle proteine.