Responsabile: Prof. Giuseppe Pellicane
Partecipanti:
- Prof Archimede Rotondo (BIOMORF, UniMe)
- Prof Santi Prestipino (MIFT, UniMe)
- Dr Franz Saija (Istituto per i Processi Chimico-Fisici, CNR)
- Prof Mesfin Tsige (Department of Polymer Science, University of Akron, Stati Uniti)
- Prof Genene Tessema Mola, (School of Chemistry and Physics, University of KwaZulu-Natal, Sud Africa)
- Prof Fabio Cinti (Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Firenze)
- Prof Mahmoud Soliman (Discipline of Pharmaceutical Sciences, University of KwaZulu-Natal, Sud Africa)
- Prof Kristian Müller-Nedebock (Department of Physics, Stellenbosch University, Sud Africa)
- Prof Enrique Lomba (Spanish National Research Council, Madrid, Spain)
Denominazione della tematica e delle linee di ricerca
Tematica: “Studi computazionali della struttura della materia soffice, biologica e condensata” / “Computational studies of condensed, soft and biological matter”
Linee:
- “Aggregazione auto-limitante in condensati biomolecolari” / “Self-limiting aggregation of biomolecular condensates”
- “Interazioni colloidali nella fisica della materia soffice” / “Colloidal interactions in soft-matter physics”
- “Dinamica connettiva del citoscheletro” / “Network dynamics of cytoskeleton”
- “Fasi termodinamiche di condensati bosonici” / “Bosonic cluster phases”
- “Interfacial properties of polymeric materials” / “Proprietà superficiali di materiali polimerici”
- “Docking e dinamica molecolare di composti farmaceutici” / “Molecular docking and molecular dynamics of pharmaceutical compounds”
- “Polimeri conduttivi per applicazioni nelle celle solari” / “Conductive polymers for solar-cell applications”
Breve descrizione delle linee di ricerca
- “Aggregazione auto-limitante in condensati biomolecolari” / “Self-limiting aggregation of biomolecular condensates”
Ci proponiamo di spiegare il meccanismo di crescita limitata dei condensati di organuli nelle cellule eucariote, il quale evita la loro coalescenza. A tale scopo, usiamo modelli di interazione a corto raggio repulsivi/a lungo raggio attrattivi fra le proteine o i complessi proteici/di acido nucleico, in simulazioni di dinamica molecolare e per compiere analisi di cluster. La comprensione di come le condizioni termodinamiche e strutturali determinano la distribuzione di dimensione degli aggregati consente di ricavare informazioni importanti circa la stabilità e la formazione di queste strutture, le quali giocano un ruolo fondamentale nel metabolismo ed espressione genica delle cellule.
We aim to explain the limited growth of condensates of membraneless organelles in eucariotic cells, thus preventing their coalescence and a true liquid-liquid phase separation. We use molecular dynamics simulations and cluster analysis to study effective short range repulsive/long range interaction models between the proteins or protein/nucleic acid complexes. The understanding of how structural and thermodynamic conditions determine size distributions of the aggregates provides us with important information about the stability and formation of these structures, which play a fundamental role in the metabolism and gene expression of cells.
- “Interazioni colloidali nella fisica della materia soffice” / “Colloidal interactions in soft-matter physics”
Il nostro interesse riguarda i sistemi della fisica della materia soffice, o condensata, con il fine di comprendere il modo in cui le interazioni microscopiche determinano le loro proprietà strutturali, termodinamiche e il loro diagramma di fase. Modelli di interazione semplificati vengono studiati usando tecniche di simulazione al computer (Monte Carlo, dinamica molecolare) e teorie di fisica statistica. Tali sistemi sono in fase liquida e sono rilevanti nelle biotecnologie, in fisica delle superfici e medicina, e consistono ad esempio in soluzioni proteiche, materiali colloidali, e sistemi macromolecolari che si auto-aggregano a causa di interazioni competitive o di van der Waals.
We focus on systems belonging to the fields of condensed matter, or soft matter, physics to understand the way microscopic interactions determine their structural, thermodynamic properties and the phase diagram. We use computer simulation techniques (Monte Carlo, molecular dynamics) and microscopic theories of statistical physics (integral-equation theories) to study interaction models of these systems, which include a large variety of liquid systems with relevance and technological applications in biotechnology, surface physics and medicine, like protein solutions, colloidal materials, and self-assembling macromolecular systems with competitive, or van der Waals interactions.
- “Dinamica connettiva del citoscheletro” / “Network dynamics of cytoskeleton”
Ci proponiamo di studiare la dinamica di reti citoscheletriche, ove le ramificazioni posso cambiare di lunghezza e le reticolazioni stesse possono dissolversi. Tali reti vengono modellate in termini di filamenti soggetti a dinamica alla Langevin e studiate sia con teorie di meccanica statistica, che simulazione al computer, per comprendere la maniera attraverso cui si ramificano e come le rigidità dei filamenti si legano alla elasticità della membrana cellulare. L’ applicazione di questi modelli alla biologia cellulare dovrebbe dare indicazioni su quali proprietà determinano la risposta meccanica cellulare e l’accoppiamento fra cellule diverse, o con la matrice extra-cellulare.
Our goal is to is to study the dynamics of cytoskeletal networks, where branches can grow and shrink, be pruned, and crosslinks may themselves dissociate. We model this system as fluctuating filaments subject to Langevin dynamics and use theory and computer simulation (molecular dynamics) to understand how network branching, filament and branching point rigidities couple to the cell membrane elasticity. The application of these models to cell biology should allow better understanding of the properties dominating an individual cell’s mechanical response, and to understand the coupling of cells to each other, or to the extra-cellular matrix.
- “Fasi termodinamiche di condensati bosonici” / “Bosonic cluster phases”
Il nostro obiettivo è di studiare l’effetto del confinamento e di interazioni fortemente attrattive fra particelle bosoniche sul diagramma di fase, ed in particolare la presenza di equilibri di fase fra stati quantistici, quali quelli superfluidi e supersolidi. A tale scopo, usiamo sia simulazioni classiche che quantistiche (Monte Carlo) per individuare le condizioni termodinamiche a cui si formano fasi stabili di aggregati bosonici. Questi studi sono di interesse fondamentale nella fisica dei sistemi quantistici fortemente correlati e forniscono la base per usare atomi ultrafreddi quali simulatori quantistici per verificare aspetti di fisica fondamentale.
Our goal is to study the effect of confinement and strongly attractive interactions on bosonic particles on the phase diagram, including the presence of “quantum” phases as superfluids and supersolids. We use both classical and quantum computer simulations (Monte Carlo) to unveil the thermodynamics conditions for the formation of stable phases of boson condensates. These studies are of fundamental interest in the physics of strongly correlated quantum systems and provide the basis for using ultracold atoms as quantum simulators to test fundamental physics.
- “Interfacial and morphological properties of polymeric materials” / “Proprietà superficiali e morfologiche di materiali polimerici”
In questa linea di ricerca cerchiamo di comprendere il diagramma di fase e le proprietà interfacciali e morfologiche dei materiali polimerici utilizzando simulazioni al computer di dinamica molecolare. L'interesse legato all'utilizzo di approcci computazionali è quello di favorire lo sviluppo di metodi di fabbricazione in grado di generare nanostrutture con difetti minimi e caratteristiche altamente controllabili, un aspetto che rappresenta una notevole sfida tecnologica. I materiali polimerici, come ad esempio quelli basati su copolimeri a blocchi, sono ampiamente utilizzati in vari campi come la scienza dei materiali, la nanotecnologia e la biomedicina.
We focus on advancing understanding of the phase diagram, interfacial and morphological properties of polymeric materials by using extensive molecular dynamics computer simulations. The interest of our research is related to leveraging computational approaches to assist the development of fabrication methods capable of generating nanostructures with minimal defects and highly controllable features, which is an aspect posing a formidable challenge in technology. Polymeric materials, as for instance those based on block copolymers, are widespread in various fields such as materials science, nanotechnology, and biomedicine.
- “Docking e dinamica molecolare di composti farmaceutici” / “Molecular docking and molecular dynamics of pharmaceutical compounds”
In questa linea di ricerca analizziamo diversi tipi di molecole come potenziali inibitori di mutazioni o attività biologica di patologie umane e studiamo i meccanismi microscopici attraverso i quali esse interagiscono in maniera efficace con le vie metaboliche rilevanti della patologia (esempio: triple-negative breast cancer). A tale scopo, usiamo docking molecolare e simulazioni di dinamica molecolare per studiare la stabilità degli “agganci” molecolari. L'applicazione di metodi computazionali alla chimica farmaceutica è utile per chiarire il potenziale terapeutico di nuovi approcci farmacologici.
Here we target molecules as potential inhibitors of mutations or biological activity of human diseases and study the microscopic mechanisms through which they interact effectively with the relevant chemical pathways of the pathology (example: triple-negative breast cancer). We use molecular docking analysis and molecular dynamics simulations to study the stability of the docked targets. The application of computational methods to medicinal chemistry is helpful to elucidate the therapeutic potential of new pharmacological approaches.
- “Polimeri conduttivi per applicazioni nelle celle solari” / “Conductive polymers for solar-cell applications”
In questo ambito, studiamo e progettiamo polimeri conduttivi potenzialmente utilizzabili in dispositivi fotovoltaici organici. A tale scopo usiamo simulazioni al computer di dinamica molecolare e la teoria del funzionale della densità per migliorarne le proprietà morfologiche ed elettroniche. Questa linea di ricerca è rilevante per il miglioramento dell'efficienza della conversione di potenza dei dispositivi che utilizzano fonti di energia rinnovabili, quali le celle solari a film sottile.
We study and design conducting polymers which have the potential to be used in organic photovoltaic devices. We use molecular dynamics computer simulation and density-functional theory to improve their morphological and electronic properties. This research line is relevant to the improvement of the Power Conversional Efficiency of devices relying upon renewable energy sources, as thin film solar cells.
Progetti di ricerca finanziati in corso di cui il responsabile della linea di ricerca è anche responsabile scientifico del progetto
Titolo: Computational Study of Structure-Property Relationships in polymer blends relevant to OPV devices (MATS0087)
Finanziatore: NICIS Center of High Performance Computing (CHPC) (www.chpc.ac.za)
Durata: maggio 2016 – novembre 2025
Contatti
Email: gpellicane@unime.it
Sede: Dipartimento BIOMORF, Torre Biologica, piano terra.