Istituto di Cristallografia - CNR
Consiglio Nazionale delle Ricerche

Istituto di Cristallografia

Attività di ricerca

Le attività di ricerca dell’Istituto di Cristallografia si articolano in tre principali ambiti applicativi: Salute, Materiali, Ambiente in un approccio sistemico (one-health oriented).

Le competenze scientifiche dell’Istituto di Cristallografia, orientate a sviluppare nuovi approcci sperimentali e/o metodologici problem-solving-oriented, insieme alle sue infrastrutture di ricerca, consentono una significativa partecipazione a Progetti di Ricerca finanziati a livello bilaterale, europeo, ministeriale e regionale, in sinergia con università e imprese.

I laboratori dell’Istituto di Cristallografia sono risorse al servizio dalla comunità scientifica per condurre ricerche di base ed applicative nei settori Salute, Materiali ed Ambiente.

L'Istituto di Cristallografica si occupa dello sviluppo ed applicazione di metodologie cristallografiche, operando a livelli di eccellenza in ambito internazionale. I metodi cristallografici sono implementati in software distribuiti alla comunità scientifica nazionale ed internazionale, e venduti ad aziende.

Sedi

Bari

La sede di Bari dell’Istituto di Cristallografia svolge studi e attività di ricerca, di base ed applicata, in vari campi della scienza, che spaziano dallo sviluppo di metodologie cristallografiche e di calcolo automatico per la diffrattometria a raggi-X da cristallo singolo e da polveri (settori in cui l’Istituto si è accreditato internazionalmente anche come un importante sviluppatore di algoritmi e software), alla chimica e biologia strutturale. Inoltre, l’Istituto si occupa di fisica della diffrazione, studia problematiche interdisciplinari della chimica strutturale, quali la modellistica molecolare nel campo biofarmacologico; svolge anche ricerche per lo sviluppo di composti ad azione biologica e farmacologica (antimicrobici, antitumorali ecc), studia materiali di interesse tecnologico quali nanomateriali strutturali e biomateriali innovativi, e, infine, sviluppa ricerca strumentale, realizzando anche biosensori, basati sulle tecniche di analisi delle proteine fotosintetiche, idonei a molteplici applicazioni ambientali, alimentari e medicali.
Per le sue specificità l’IC presenta, quindi, al suo interno differenti tipi di know-how, con competenze multidisciplinari indirizzate ad aree diverse, quali la Nanomedicina, le Bioscienze, la Chimica e la Biologia strutturale, la Chimica e la Fisica applicata, le Scienze dei Materiali con grosse potenzialità sia in termini di ricerca di base, sia in termini di ricerca applicata.

Roma

La sede di Montelibretti dell’Istituto di Cristallografia è situata all’interno dell’Area della Ricerca Roma1 e conta 23 unità di personale tra ricercatori, tecnologi, tecnici ed amministrativi. 

Le attività di ricerca sviluppate dai ricercatori della sede di Montelibretti sono rivolte al miglioramento della salute dell’ambiente e dell’uomo attraverso lo sviluppo di tecnologiche green e a basso impatto ambientale applicabili in diversi comparti produttivi e lo sviluppo di nuove conoscenze in campo nutraceutico, farmaceutico, biomedicale ed energetico.

Gli obiettivi nella ricerca fondamentale e traslazionale vengono raggiunti attraverso l’integrazione di competenze multidisciplinari nei campi della chimica, biochimica, biologia molecolare, biofisica, bioinformatica e bioingegneria. In questo contesto, i ricercatori della sede hanno individuato nello studio di sistemi vegetali prodotti e processi con potenziale biotecnologico applicativo. Ad esempio lo sviluppo di tecnologie di estrazione green per il recupero e la valorizzazione di molecole bioattive  dagli scarti della filiera agroalimentare; la coltivazione di biomassa algale per la produzione di biomateriali  per il restauro di reperti lapidei e cartacei e la biofissazione della CO2; l’estrazione di fitometaboliti con proprietà benefiche sulla salute dell’uomo e lo sviluppo di nutraceutici; l’espressione e la cristallizzazione di enzimi ingegnerizzati per la cattura biomimetica della CO2; lo sviluppo e la caratterizzazione di nano/bio/materiali per il drug-delivery; lo sviluppo di sistemi di biosensori per il rilevamento di analiti di interesse ambientale, agroambientale e biomedicale e loro validazione in campo e su campioni reali; lo sviluppo di sistemi di telemonitoraggio in campo biomedico e ambientale. 

Si affrontano, inoltre, studi finalizzati allo sviluppo di nuove molecole farmacologicamente attive, sia di origine vegetale che biomimetiche, per il trattamento di patologie umane e fitopatie; studi finalizzati alla caratterizzazione strutturale del binding e alla comprensione del meccanismo molecolare generato dall’interazione di molecole naturali o di sintesi con i loro target biologici in organismi animali o vegetali e studi per la comprensione del ruolo molecolare delle proteine coinvolte in malattie ereditarie multisistemiche rare nelle alterazioni mitocondriali e nel processo autofagico. 

Si effettuano, infine, studi di struttura e dinamica su materiali complessi che trovano applicazione nei campi della superconduttività, della biomedicina e nello sviluppo di tecnologie utili per la transizione energetica. 

Trieste

La Sede Secondaria dell’Istituto di Cristallografia presso Trieste (IC-TS), è stata originariamente istituita nel
1992 come Sezione Staccata dell’Istituto di Strutturistica Chimica “G. Giacomello” di Montelibretti (Roma). Da
sempre la sede di IC-TS è ospitata nei locali di Area Science Park e dal 2014 si è trasferita presso le strutture di
Basovizza (TS) dove si trovano gli uffici e i laboratori.
IC-TS ospita stabilmente 5 ricercatori e 2 unità di personale tecnico-amministrativo, oltreché post-doc, studenti
di dottorato e laurea magistrale collegati alle attività di ricerca.
Per quanto IC-TS sia nata a supporto della sola attività di luce di sincrotrone, nel tempo gli ambiti disciplinari si
sono evoluti, pur rimanendo centrale lo studio delle relazioni struttura-attività-funzione di sistemi biologici e
inorganici. Attualmente, le linee di ricerca principali possono essere identificate in:
1) Studio delle relazioni attività-struttura di materiali organici e inorganici a diverso livello di complessità, per
mezzo della diffrazione di raggi-X da luce di sincrotrone
2) Biologia strutturale per la ricerca di base e per il drug-discovery. In particolare, studio della relazione
struttura-funzione di macromolecole biologiche, secondo un approccio sia strutturale (cristallografia di raggi-X,
SAXS) che biofisico (Grating Coupled Interferometry, ITC, DSF, DLS, Fluorescenza). Inoltre, vengono utilizzate
tecniche avanzate di biologia molecolare e biochimica per la espressione e purificazione delle macromolecole
oggetto di studio.
3) Progettazione, modifiche e sintesi di peptidi funzionalizzati a supporto dello studio della relazione struttura
attività. Nello specifico, parte dell’attività di ricerca e di sintesi si concentra sullo studio di nuovi peptidi
antimicrobici, proline-rich e non.
IC-TS ospita laboratori per l’espressione e la purificazione di proteine e per le misure biofisiche di interazione
intermolecolare e di cinetica e affinità tra ligando e recettore. È inoltre presente un’area dedicata alla
cristallizzazione delle macromolecole biologiche per studi cristallografici.
IC-TS partecipa al 50% alla gestione e alle attività scientifiche della linea di luce XRD1 presso il Sincrotrone
Elettra a Basovizza e collabora attivamente con molte delle realtà scientifiche del panorama triestino:
Sincrotrone Trieste, Area Science Park, CNR-IOM, Università degli Studi di Trieste (Dipartimenti di Scienze della
Vita e di Scienze Chimiche e Farmaceutiche), International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology.

Catania

URT e Sedi di lavoro

Napoli

Il progetto proposto dalla URT per la sua costituzione è finalizzato a valorizzare ed integrare le competenze presenti in IC e l’AORN Santobono Pausilipon per mettere a punto in modello di trasferimento delle competenze tipiche dei materiali e della chimica biologica verso applicazioni cliniche di interesse pediatrico.
Il progetto rende strutturali gli accordi e le fruttuose collaborazioni in essere dell’AORN con l’Istituto di Cristallografia, ed altre strutture del CNR, alimentando così una relazione diretta tra le attività di ricerca sperimentale ed i programmi di assistenza clinica ai pazienti pediatrici della Regione Campania e non solo.
Ulteriormente le attività avranno ricadute oltre che da un punto di vista scientifico, anche da un punto di vista di valorizzazione delle competenze interne al CNR attivando anche modelli di formazione su tematiche tecniche tecnologiche innovative verso gli operatori sanitari.
In dettaglio, i principali obiettivi scientifici riguardano sono concretizzate nel progetto dal titolo: “Tecniche e tecnologie avanzate per la clinica pediatrica.”.
Nel primo anno di attività sono state attivate le seguenti linee di ricerca:
Sistemi di immobilizzazione in reverse engineering e additive manufactoring
Image processing e rendering 3D per la pianificazione chirurgica
Studio di nuovi modelli di medicina territoriale basati anche sulle esigenze e progettualità emerse per l’applicazione del Piano di Ripresa e Resilienza (PNRR) nazionale
Tali attività sono state sviluppate anche in collaborazione con altre strutture del SSN.

Caserta

La URT è localizzata all’interno del Dipartimento di SCIENZE E TECNOLOGIE AMBIENTALI BIOLOGICHE E FARMACEUTICHE dell’Università degli Studi della Campania “Luigi Vanvitelli. La sede è attiva dal Febbraio 2022 e le attività di ricerca, svolte in collaborazione con aziende, università ed altri centri di ricerca, sono focalizzate nello sviluppo di nuove molecole a diversa complessità biologicamente attive, attraverso tecniche di Chimica e di Biologia Molecolare, con applicazione in campo terapeutico e diagnostico. In particolare, l’obiettivo è quello di identificare e caratterizzare nuovi meccanismi molecolari che regolano il “targeting” molecolare a sistemi a diversa complessità, in modo da modularne le loro funzioni biologiche e geniche, e studiare i processi di “delivery” specifico per la formulazione di nuove sostanze farmacologicamente attive. Le tematiche di ricerca sono quelle legate allo studio di fenomeni di riconoscimento molecolare in sistemi complessi, per lo sviluppo su basi molecolari di nuovi sistemi in grado di modulare funzioni biologiche con specifiche proprietà di delivery. In particolare, le tematiche trattate sono legate allo studio strutturale di complessi proteina/proteina e  proteina/oligonucleotidi, e al design, alla sintesi e la caratterizzazione di sistemi peptidici, peptidomimetici e oligonucloetidi modificati con applicazioni diagnostiche e terapeutiche.
Presso la sede sono disponibile, in collaborazione con l’università, un laboratorio di sintesi peptidica e di PNA attrezzato con sistemi di purificazione (HPLC), un laboratorio di caratterizzazione spettroscopica attrezzato con Dicroismo Circolare e spettrometro UV/VIS, e un laboratorio di Risonanza Magnetica Nucleare attrezzato con un NMR 600 MHz e un 500 Mhz dotati di crioprobe.

Como

Le attività della sede IC di Como si intrecciano fortemente con quelle del To.Sca.Lab (Total Scattering Laboratory), un laboratorio congiunto CNR-Insubria creato nel 2012 per attività sperimentali e computazionali dedicate a Tecniche di Scattering Totale.
Nelle intenzioni dei co-fondatori (Dr. Antonella Guagliardi – IC-CNR, Prof. Norberto Masciocchi e Prof. Fabio Ferri – Uni-Insubria) obiettivo principale del To.Sca.Lab è mettere in sinergia competenze teoriche e sperimentali, multi- e trans-disciplinari (Chimica, Fisica, Scienze dei Materiali, Cristallografia) per lo sviluppo di metodi basati su Scattering Totale di raggi X e luce visibile in un progetto unificante, e loro applicazione a materiali difettivi e/o alla nanoscala di interesse per energia, sostenibilità ambientale, bio-medicale, agro-food. Le tecniche sviluppate si applicano per caratterizzazioni avanzate alla multiscala (da sub-atomica a millimetrica) e risolte in tempo, esperimenti in-situ/in-operando, e per lo studio di correlazioni struttura-proprietà.
Nell’arco di tempo di 10 anni dalla fondazione, il To.Sca.Lab è riuscito a consolidare un Team di ricerca dedicato (4 persone staff, oltre 15 postdocs, 5 PhD), attrarre finanziamenti esterni per oltre 2MEuro (progetti di ricerca e collaborazioni con Industrie), creare un network di collaborazioni internazionali, effettuare oltre 30 esperimenti presso Large Scale Facilities (almeno 2 sessioni sperimentali/anno), organizzare workshops internazionali con cadenza biennale per alta formazione, sviluppare il pacchetto software open source Debussy (https://debyeusersystem.github.io) per analisi X-ray Total Scattering di materiali nanocristallini (circa 4000 utenti/downloads). Oltre allo staff permanente, il To.Sca.Lab consta di 4 post-docs, 3 PhD, 1 borsista di ricerca.

Infrastrutture

Le Infrastrutture di Ricerca non hanno vincolo di appartenenza istituzionale o nazionale, così come definito
dal Forum Strategico Europeo per le Infrastrutture di Ricerca (European Strategy Forum on Research Infrastructures – ESFRI), organo consultivo del Consiglio dell’Unione Europea.

XRD1@Elettra

Il progetto di questa beamline risale al 1990, quando fu elaborato congiuntamente da Dipartimento di Chimica dell’Università degli Studi di Roma “La Sapienza”, Elettra Sincrotrone Trieste S.c.p.A ed Istituto di Strutturistica Chimica del CNR confluito nel 2002 nell’attuale Istituto di Cristallografia).

L’attuale disegno della linea di luce risale al 2005, per fornire un fascio di raggi-X più brillante per esperimenti di cristallografia di proteine sia a lunghezza d’onda singola che SAD/MAD, in modalità high throughput.

Figura 1

Il layout della beamline (Figura 1) è costituito da uno specchio cilindrico prefocalizzante che fornisce al monocromatore raffreddato ad azoto liquido un fascio quasi parallelo, necessario per ottenere una radiazione monocromatica con un ΔE/E di circa 10-4 necessaria per operare in condizioni di scattering anomalo. Il fascio monocromatico viene infine focalizzato sul campione da uno specchio toroidale (bendable) rivestito di Pt.

Figura 2

Nella stazione sperimentale, (Figura 2) l’allineamento del campione è effettuato mediante un goniometro a tre assi con geometria k della Huber che consente un orientamento accurato del campione. La cristallografia macromolecolare da cristallo singolo necessita solo di un singolo asse; tuttavia, l’orientamento variabile dei cristalli può essere utile per applicazioni specifiche. Inoltre, i gradi di libertà propri del goniometro k sono sfruttati nel sistema di montaggio automatico del cristallo. L’ingombro ridotto grazie alla geometria k crea spazio anche per le apparecchiature ausiliarie necessarie per il monitoraggio o il condizionamento del campione

Mentre il goniometro k consente un’elevata flessibilità nell’orientamento del campione; un rilevatore bidimensionale veloce Pilatus 2M della Dectris raccoglie il pattern di diffrazione. Il rilevatore ha un tempo di lettura di  5 ms con un’ampia area di rilevamento (253 x 288 mm2, area cieca 7%), nessun rumore elettronico e un alto range dinamico (20 bit, range dinamico > 106). Le caratteristiche di Pilatus 2M sono ottimali per misure di diffrazione macromolecolare e più in generale di cristallo singolo. Altri possibili tipi di esperimenti includono la diffrazione di polvere ad alta pressione, lo scattering di raggi X ad alto angolo da materiali debolmente diffrangenti, esperimenti di diffrazione di raggi X ad alto angolo ed incidenza radente da film sottili e materiali ordinati in 2D.

Il montaggio automatico del campione di cristalli congelati attraverso un sample changer che può ospitare fino a cinquanta cristalli congelati alla temperatura di azoto liquido, montati su portacampioni conformi agli standard SPINE. Un braccio robotico raccoglie il campione dalla riserva e lo monta sulla testina goniometrica, dove il campione viene mantenuto sotto flusso di azoto a 100K da un criostato a ciclo aperto (Oxford Cryosystems 700).

Instruct

Outreach

L'Istituto di Cristallografia organizza numerosi workshop e conferenze con l'obiettivo strategico di diffondere le competenze scientifiche, consolidare la sua reputazione nazionale ed internazionale, favorire il trasferimento di conoscenze, aumentare attività di networking nazionale ed internazionale.

L'Istituto di Cristallografia organizza scuole tematiche con l'obiettivo strategico di consolidare le conoscenze scientifiche di settore in ambiti di alta formazione universitaria, stabilire un rapporto stabile con università e con le scuole per orientamento al lavoro.

L'Istituto di Cristallografia svolge attività di disseminazione con l'obiettivo strategico di valorizzare l’interazione con il territorio, costruire un rapporto stabile con le scuole per orientamento al lavoro, avvicinare i giovani alla ricerca, intercettare nuovi talenti e contribuire a migliorare la percezione della società civile per la ricerca.

Il museo mira a raccontare parte dell’ “Avventura scientifica” della cristallografia. Un museo scientifico, come progetto culturale per la comprensione pubblica della scienza e della tecnologia attraverso la conoscenza di oggetti, strumenti e dispositivi. Un modo diretto ed efficace per portare la scienza alle persone, ma anche un’importante opportunità per raccogliere e preservare gli strumenti che hanno spesso stimolato, in cristallografi e ingegneri, idee creative e consentito lo sviluppo di metodologie avanzate e innovative nella ricerca sperimentale.

Partnership

L’Istituto di Cristallografia ha in atto diverse parternship con soggetti sia pubblici che privati finalizzate all’ampliamento delle conoscenze in specifici settori di sviluppo, individuati fra le macro aree di interesse strategico europeo.

Bandi