Descrizione
L'Istituto di Biofisica (IBF) nasce dall'aggregazione di cinque preesistenti strutture Cnr distribuite sul territorio nazionale (Palermo, Pisa, Genova, Milano e Trento) e caratterizzate da una vasta gamma di attività di ricerca aventi come principale comune denominatore l'applicazione dei metodi e delle tecniche di indagine propri delle scienze fisiche allo studio dell'organizzazione, della struttura e dei meccanismi di funzionamento dei sistemi biologici. Un'attività corollaria significativa è dedicata anche allo studio, ancora con metodologie fisico-chimiche, dell'impatto di fattori ambientali, sia antropici che non, sugli ecosistemi. Le spettroscopie ottiche e magnetiche, le micro- e nano-scopie, la modellistica molecolare basata su calcoli di meccanica statistica e quantistica, l'elettronica strumentale interfacciata a sistemi digitali di stimolazione e registrazione di segnali elettrofisiologici, lo sviluppo di software per l'analisi di segnali e per l'elaborazione di loro modelli interpretativi, sono alcuni esempi di tecniche per lo studio dei sistemi e fenomeni biologici che hanno permesso in molti casi di passare dalla descrizione qualitativa delle strutture macro e microscopiche degli esseri viventi, e dei processi vitali ad esse correlati, all'individuazione dei meccanismi molecolari che ne stanno alla base.
Questa ampia gamma di approcci metodologici, in rapido sviluppo concettuale e tecnico, ben definiscono la Biofisica come scienza di frontiera, a carattere fortemente interdisciplinare e multidisciplinare. Infatti, nel corso degli anni la Biofisica si è affermata come disciplina fondamentale, caratterizzata da metodi di indagine che vanno ormai ben aldilà della semplice applicazione di tecniche fisiche allo studio di sistemi viventi. Essa ha ormai assunto un ruolo rilevante nello sviluppo delle Scienze della Vita, sia promuovendo approcci metodologici innovativi, sia per i collegamenti sempre più stretti con le altre ricerche di frontiera sviluppate nei settori più moderni delle scienze biologiche e mediche, quali lo studio delle relazioni struttura-funzione delle molecole biologiche, la biologia molecolare, la bioenergetica, la bioinformatica. Contestualmente, l'evoluzione della ricerca biofisica ha portato sia all'aumento del numero di competenze necessarie al singolo ricercatore, sia alla necessità di collaborazioni fra ricercatori con specializzazioni tecniche e metodologiche differenziate per affrontare problemi sempre più complessi con approcci diversi e complementari.
L'attuale Istituto di Biofisica riunisce fisici, chimici, biochimici e biologi molecolari, genetisti e fisiologi, alcuni dei quali hanno lunga consuetudine ad affrontare lo studio dei sistemi biologici da un punto di vista interdisciplinare.
Gli oggetti di studio vanno dalle proteine e acidi nucleici alle strutture sopramolecolari, dalle cellule nervose alle piante superiori, dai microrganismi alle cellule in coltura isolate dagli organismi più diversi.
Le ricerche coprono argomenti complementari ad ampio raggio, spesso utilizzando metodologie e strumentazioni innovative sviluppate nell'ambito dell'Istituto stesso, sempre nell'ottica di un approccio integrato, multidisciplinare che favorisce il superamento di una lettura puramente descrittiva dei processi biologici.
Le strutture di ricerca del Cnr sono particolarmente adatte a soddisfare l'esigenza di interdisciplinarietà ed integrazione culturale, ed è proprio da gruppi di ricerca del Cnr, alimentati nel quadro delle 'imprese' promosse dal Presidente Giovanni Polvani negli anni sessanta, che si sono sviluppate in Italia scienze di frontiera con forti caratteri di multidisciplinarietà, quali l'informatica, la biologia molecolare e parte delle ricerche biologiche, tra cui la biofisica.
Gli ex-istituti di Biofisica a Pisa e di Cibernetica e Biofisica a Genova si erano sviluppati da iniziative dei fisici Adriano Gozzini e Antonino Borsellino, promosse agli inizi degli anni '60 nell'ambito della 'Impresa Cibernetica' e trasformate in Laboratori propri del Cnr alla fine di quel decennio. Borsellino e Gozzini erano accomunati, oltre che da ricordi di compagni di corso alla Scuola Normale, dal fascino che esercitava su di loro l'idea di poter descrivere in base ai 'principi primi' della fisica i complessi fenomeni della materia vivente. Essi misero insieme gruppi di ricercatori più o meno giovani, forse a volte un poco improvvisati e scientificamente avventurosi, ma trascinati dal loro carisma e animati da grande entusiasmo e spirito di intraprendenza. Ben consci che quello era il principale requisito perché l'operazione avesse successo, essi costituirono gruppi iniziali con persone di diversissima estrazione culturale (fisici, biologi, chimici, matematici, ingegneri, medici) che si impegnavano ad affrontare in maniera interdisciplinare i problemi della Biofisica e della Cibernetica. Lo sviluppo successivo, che ha dato luogo alle strutture che oggi sono aggregate nell'IBF, è storia lunga che ha comportato inevitabilmente specializzazioni e perdita della vocazione tuttologa che animava ingenuamente i fondatori.
L'attività di ricerca dell'Istituto di Biofisica rientra nei settori della salute umana, dell'ambiente e dell'agroalimentare: si studiano le basi molecolari di patologie genetiche; particolare attenzione è dedicata ai meccanismi di comunicazione mediati dalle membrane cellulari, ai processi di aggregazione molecolare, alle molecole di interesse farmacologico, a temi di bioenergetica e di biochimica cellulare, alle tossine di origine microbica, alla realizzazione di sistemi/molecole fotosensibili di interesse biotecnologico o biomedico, ai problemi di inquinamento di natura antropica.
Nel Documento di Visione strategica 2013-2022 elaborato dal Consiglio Nazionale delle Ricerche, vengono elencate le macro-aree tematiche che, da un'analisi delle performance e dai trend delle tecnologie e dei saperi emergenti, si individuano come prioritarie per il prossimo decennio; tra queste emergono la salute e il micro-nano, due ambiti in cui l'Istituto di Biofisica svolge la propria attività di ricerca. Come sottolinea il Documento sopra citato, si tratta di macro-aree a forte impatto per le loro "caratteristiche di trasversalità, interazione, equilibrata presenza di ricerca curiosity driven, finalizzata e industriale; l'alto livello di correlazione con i temi sociali e della vita quotidiana capaci, questi ultimi, di stimolare l'opinione pubblica, intercettare stake e shareholders e, pertanto, orientare anche i successi interventi nazionali".
Come detto all'inizio, l'Istituto di Biofisica è presente sul territorio nazionale in cinque città; di seguito una breve presentazione di ogni sede e della loro storia:
Abbiamo già anticipato che l'Istituto di Biofisica nacque nel 1969 come Istituto di Cibernetica e Biofisica (ICB) con il fine di affiancare ed espandere le ricerche scientifiche che erano state avviate dall'Istituto di Fisica dell'Università di Genova nei settori, allora in forte espansione, della cibernetica e della biofisica. L'Istituto iniziò la sua attività a Camogli, cittadina costiera nelle vicinanze di Genova. La scelta della località rifletteva l'interesse scientifico dell'ICB per le neuroscienze e la conseguente necessità di utilizzare l'assone del calamaro gigante (Loligo Vulgaris) per gli studi nel settore, poiché tale mezzo rappresentava all'epoca il principale strumento per esplorare l'elettrofisiologia del sistema nervoso. Nel 1984, l'Istituto si trasferì presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Genova e, dieci anni dopo, nell'attuale sede dell'Area di Ricerca Cnr di Genova, in Via De Marini. In Aprile 2002, a seguito di una riorganizzazione del Cnr, l'Istituto ICB divenne sezione del nuovo Istituto di Biofisica (IBF). La sede dell'IBF, originariamente stabilita a Pisa, venne trasferita a Genova nell'Aprile del 2003. Fin dal 1969, lo studio del trasporto ionico attraverso le membrane biologiche ha costituito uno dei principali temi di ricerca dell'ICB ed oggi non vi sono dubbi sul fatto che la conoscenza dei meccanismi del trasporto ionico - che rimane una delle linee di ricerca fondamentali per la sede istituzionale di Genova - sia fondamentale per la comprensione dei processi cellulari che determinano l'esistenza, la perpetuazione e l'evoluzione dei sistemi biologici.
L' ex-Centro di studio sulla biologia cellulare e molecolare delle piante, convenzionato con l'Università di Milano presso il Dipartimento di Biologia dell'Università, nacque negli anni '50, ed è stato il primo Centro del Cnr in Italia ad occuparsi di Fisiologia delle piante con i metodi della moderna biofisica, biochimica e fisiologia cellulare. Istituito per iniziativa di Sergio Tonzig, professore di botanica a Milano, il Centro è andato ampliando ed approfondendo lo studio del regno vegetale focalizzato su tre aspetti principali: fotosintesi, bioenergetica, e genetica molecolare. La principale caratteristica di questo sviluppo, che colloca l'attività della Unità Operativa di Milano dell'IBF su un piano competitivo nell'attuale contesto internazionale e la rende omogenea e complementare a quella delle altre sedi, è l'enfasi sugli aspetti molecolari e meccanicistici dei fenomeni studiati.
L'Istituto per le applicazioni interdisciplinari della fisica a Palermo nacque nel 1980, per iniziativa di alcuni fisici e suggerimento di Edoardo Amaldi, con intenti multidisciplinari e linee di ricerca che andavano dall'astrofisica alla fisica teorica e alla biofisica. Negli anni, la linea di biofisica si è maggiormente sviluppata ed oggi copre la totalità dell'attività dell'Istituto sia in termini di personale che in termini di finanziamenti. Tema principale della Unità Operativa di Palermo è lo studio dei processi fisico-chimici di aggregazione molecolare e sopramolecolare. Successivamente in questa UO hanno avuto considerevole sviluppo le attività di ricerca tese a caratterizzare dal punto di vista chimico fisico e spettroscopico prodotti/molecole di interesse anche pre-applicativo in campo agroalimentare. Permangono proficuamente in questa sede competenze di fisica teorica che trovano un fertile terreno di sfruttamento nella modellistica di fenomeni complessi come quelli che tipicamente caratterizzano il sistema nervoso.
Il reparto di biomolecole e membrane biologiche già afferente al Centro di studio fisica stati aggregati (CeFSA) a Trento è la struttura accorpata all'IBF avente storia più breve. Il reparto è stato creato nel 1992 presso il CeFSA, un Centro Cnr la cui costituzione nel 1981 rappresenta un inedito esempio di collaborazione del Cnr con una realtà locale non universitaria, l'Istituto trentino di cultura, ente attraverso il quale la Provincia Autonoma di Trento ha agito sullo sviluppo culturale scientifico e tecnologico del Trentino (oggi l'ITC si è trasformato in Fondazione Bruno Kessler). A Trento si studiano in particolare struttura e meccanismi d'azione di tossine batteriche, tematica di particolare interesse per le sue connessioni a problematiche di carattere bio-farmacologico, bio-tecnologico in agricoltura e per i biosensori. Ancor più rilevante è il fatto che alcuni aspetti degli studi molecolari sviluppati presso questa Unità Operativa si allacciano a quelli del bioterrorismo della formazione di placche nelle patologie endogene quali l'Alzhaimer e le amiloidosi.
Infine, presso l'Area di Ricerca di Pisa è istituita l'Unità Operativa pisana dell'Istituto di Biofisica. Le sue principali attività di ricerca vertono sulle seguenti tematiche:
1. Biodispositivi e biomolecole: caratterizzazione delle proteina fotorecettrici delle alghe dal punto di vista biochimico, microspettroscopico e biologico-molecolare, con successiva espressione genica in batteri e sistemi sintentici.
2. Struttura e dinamica di proteine: i) caratterizzazione strutturale e dinamica di proteine mediante tecniche spettroscopiche, in particolare fluorescenza e fosforescenza; ii) studio, in microrganismi estremofili, delle proteine fotorecettrici, del processo di fototrasduzione e della sua modellizzazione.
3. Biofisica e biologia molecolare nello studio dei processi ambientali: i) studio del ciclo del carbonio in mare: dinamica e proprietà ottiche della sostanza organica disciolta, per avere informazioni sullo stato di salute degli ecosistemi marini; ii) Analisi e validazione di dati telerilevati da radar altimetro, per monitorare l'altezza del mare; iii) individuazione di biomarcatori di tipo cellulare e molecolare in organismi vegetali in risposta all'esposizione a inquinanti ambientali, inclusi quelli derivati dalle moderne nanotecnologie.
4. Modelli matematici di sistemi biologici: i) dinamica nonlineare ed analisi nonlineare di serie temporali; ii) dinamica neurale: metodi teorici e computazionali; iii) dinamica del calcio; iv) dinamica del DNA
In generale, l'Istituto di Biofisica dedica un notevole sforzo ad attività di formazione e di addestramento alla ricerca nei campi della biologia e della fisica della materia biologica, in forte sinergia e collaborazione paritaria con le Università delle varie sedi. Questa attività si espleta attraverso il conferimento di tesi di laurea, tesi e borse di studio per dottorati di ricerca, assegni di ricerca per giovani laureati e/o dottorati. Questi giovani danno a loro volta un contributo importante alle ricerche dell'IBF, partecipando spesso, dopo un primo periodo di vero apprendistato, a processi creativi ed alla realizzazione di risultati significativi.