Il progetto riguarda lo studio delle proprietà elettroniche e strutturali di molecole di interesse biologico, in particolare le basi azotate, gli acidi nucleici ed i complessi proteina-DNA/RNA in soluzione.
L'approccio è di tipo teorico-computazionale e l'obiettivo è quello di ottenere da princìpi primi le proprietà elettroniche e strutturali di queste molecole in soluzione e/o in ambiente fisiologico. Verranno utilizzati metodi ab-initio, metodi classici, come dinamica molecolare (MD) ed algoritmi di campionamento avanzati e metodi ibridi (quantum mechanics/molecular mechanics, QM/MM). Fra questi ultimi in particolare il Metodo della Matrice Perturbata [1,2,3].
Si vogliono quindi indagare le proprietà elettroniche e strutturali di sistemi di interesse chimico e biochimico attraverso metodi teorico-computazionali robusti fondati su basi meccanico-statistiche che permettono di approcciare allo studio del sistema nella sua complessità ma che allo stesso tempo consentono di fornirne una modellizzazione accurata.
[1] Massimiliano Aschi, Riccardo Spezia, Alfredo Di Nola, and Andrea Amadei. A first-principles method to model perturbed electronic wavefunctions: the effect of an external homogeneous electric field. Chemical physics letters, 344(3-4):374-380, 2001.
[2] Riccardo Spezia, Massimiliano Aschi, Alfredo Di Nola, and Andrea Amadei. Extension of the perturbed matrix method: application to a water molecule. Chemical physics letters, 365(5-6):450-456, 2002.
[3] Laura Zanetti-Polzi, Sara Del Galdo, Isabella Daidone, Marco D'Abramo, Vincenzo Barone, Massimiliano Aschi, and Andrea Amadei. Extending the perturbed matrix method beyond thedipolar approximation: comparison of different levels of theory. Physical Chemistry Chemical Physics, 20(37):24369-24378, 2018.
Le tematiche che si vogliono affrontare nel progetto di ricerca presentato sono di interesse attuale: i processi che portano al danneggiamento e riparazione delle sequenze di DNA sono oggetto di investigazione sia sperimentale che teorico-computazionale [1,2,3,4]. Si ha l'interesse di comprendere quali sono i meccanismi sia di ossidazione che di riparazione degli acidi nucleici e dei loro componenti e quali sono le sequenze più prone all'ossidazione. Tuttavia lo studio di un sistema di un doppio filamento sufficientemente lungo in condizioni fisiologiche ed esposto ad agenti ossidanti, che emula quindi il comportamento di una frazione di genoma in risposta al danno ossidativo, rappresenta tutt'oggi una sfida sia sperimentale che teorico-computazionale. Dal punto di vista sperimentale la difficoltà di studiare un tale sistema risiede nel riprodurre correttamente l'ambiente fisiologico all'interno della cellula e la complessa organizzazione del DNA così come si trova all'interno del nucleo cellulare. Inoltre la variabilità della sequenza influenza le proprietà elettroniche e di trasporto di carica delle nucleobasi. Dal punto di vista computazionale le difficoltà sorgono principalmente dalle dimensioni del problema. Studiare ad un elevato livello di teoria un sistema di questo tipo rappresenta un ostacolo attualmente insormontabile. Nonostante ciò è possibile affrontare il problema andando ad utilizzare dei metodi ibridi come il Metodo della Matrice Perturbata che rappresenta un approccio innovativo per lo studio di queste classi di sistemi e che potrebbe contribuire ad un avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte della ricerca.
Un altro avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte è quello della scrittura di nuovo codice relativo al Metodo della Matrice Perturbata e la sua condivisione in modalità open-source in modo da rendere tale approccio fruibile da altri ricercatori e gruppi di ricerca.
[1] Sebastien P Hebert and H Bernhard Schlegel. Computational study of the oxidation of guanine to form 5-carboxyamido-5-formamido-2-iminohydantoin (2Ih). Chemical research in toxicology, 32(11):2295-2304, 2019.
[2] Jean Cadet and Kelvin J A Davies. Oxidative DNA damage & repair: an introduction. FreeRadical Biology and Medicine, 107:2-12, 2017.
[3] Chryssostomos Chatgilialoglu, Carla Ferreri, Marios G Krokidis, Annalisa Masi, and Michael A Terzidis. On the relevance of hydroxyl radical to purine DNA damage. Free Radical Research, pages 1-21, 2021.
[4] Christopher B Harrison, Lauren L O'Nei, and Olaf Wiest. Computational studies of DNA photolyase. The Journal of Physical Chemistry A, 109(32):7001-7012, 2005.
[5] Shirin Faraji and Andreas Dreuw. Insights into light-driven DNA repair by photolyases: chal-lenges and opportunities for electronic structure theory. Photochemistry and photobiology, 93(1):37-50, 2017.