Prof.

BETTATI Stefano

Professore di I fascia
Via Gramsci, 14 43126 PARMA
Settore scientifico disciplinare:
FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) (FIS/07)
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Professore Ordinario per il s.s.d. FIS/07 – Fisica applicata (a beni culturali, ambientali, biologia e medicina) presso la Facoltà di Medicina e Chirurgia dell’Università degli Studi di Parma. E’ autore di oltre 100 lavori su riviste internazionali peer-reviewed, libri o capitoli di libri (H-index=27, Thomson Reuters ISI Web of Knowledge) e di oltre 150 comunicazioni a congressi nazionali e internazionali. STUDI 1992: Laurea in Medicina Veterinaria presso l’Universita’ di Parma con la votazione di 110/110 con lode. Tesi su “Regolazione allosterica dell’enzima multifunzionale triptofano sintasi”. 1997-1998: Borsa di studio dell’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia sul tema “Folding dell’O-Acetilserina sulfidrilasi studiato mediante la fluorescenza statica e risolta nel tempo dei triptofani e del coenzima”. Istituto di Scienze Fisiche/Istituto di Scienze Biochimiche, Universita’ di Parma. 1998: Dottore di Ricerca in Biologia e Patologia Molecolare (Università di Modena). Tesi su “Il legame dell’ossigeno all’emoglobina nello stato quaternario T”. 1999 – 2000: Borsa di studio post-doc. Laboratory of Chemical Physics, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA, diretto dal Dr. William A. Eaton. ESPERIENZE PROFESSIONALI 2000-2001: Assegno di Ricerca presso la Facolta’ di Farmacia dell’Universita’ di Parma sull’argomento “Meccanismi dei processi di folding-unfolding di proteine: caratterizzazione strutturale, dinamica e funzionale di enzimi piridossal 5’-fosfato dipendenti e di emo-proteine”. 2001-2006: Ricercatore presso la Facoltà di Medicina e Chirurgia dell’Università di Parma, settore scientifico-disciplinare FIS/07 – Fisica Applicata (a beni culturali, ambientali, biologia e medicina). 2006-presente: Professore Ordinario per il settore scientifico-disciplinare FIS/07 – Fisica Applicata (a beni culturali, ambientali, biologia e medicina), presso la Facoltà di Medicina e Chirurgia dell’Università di Parma. PREMI E BORSE DI STUDIO 1997-1998: Borsa di studio dell’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia. Parte del lavoro è stato svolto presso il Laboratory of Fluorescence Dynamics, University of Illinois at Urbana-Champaign, USA, in collaborazione col Prof. E. Gratton. 1998: Premio Nazionale per Dottorandi dell’Associazione Italiana di Biologia Cellulare e del Differenziamento. 1999-2000: Long-term fellowship della European Molecular Biology Organization (EMBO) e Supplemental Postdoctoral Visiting Fellow Award dei National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA. 2003: Primo premio della Società Italiana di Fisica per la migliore presentazione all’89° Congresso SIF nella sezione IVb – Biofisica e Fisica Medica. SOCIETA’ DI APPARTENENZA Società Italiana di Fisica. Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Scienze Fisiche della Materia, Unità di Parma. Istituto Nazionale Biostrutture e Biosistemi. American Society for Biochemistry and Molecular Biology. Già membro dell’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia, Sezione B, Unità di Parma. ALTRE ATTIVITA’ Reviewer per riviste internazionali come Biochimica et Biochimica Acta – Proteins and Proteomics, Biotechnology & Bioengineering, Protein and Peptide Letters. Journal of Functional Biomaterials. Guest editor, con C. Viappiani (Univ. di Parma) e F. J. Luque (Univ. di Barcellona, Spagna), di uno Special Issue della rivista Biochimica et Biophysica Acta - Proteins and Proteomics, sul tema "Protein Dynamics: experimental and computational approaches). Co-editore, con A. Mozzarelli (Univ. di Parma), del libro “Chemistry and Biochemistry of Oxygen Therapeutics: from Transfusion to Artificial Blood”, John Wiley and Sons, Ltd. (2011). Membro del comitato organizzativo del Corso Internazionale “From structural biology to drug discovery” tenuto a Parma il 29 Settembre 2000. Membro sia del comitato scientifico, sia del comitato organizzativo dei Corsi Internazionali “From structural genomics to drug discovery”, Parma, 27-28 Settembre 2002 e 27-28 Settembre 2004. Membro del comitato organizzativo della conferenza internazionale “International Visions on Blood Substitutes. Hemoglobin-Based Oxygen Carriers: from Chemistry to Clinic”, Parma, 17-20 Settembre 2006. Vice-chairman e membro del comitato organizzativo della conferenza internazionale "New challenges in protein science", Parma, 4-6 Giugno 2008. Membro del comitato organizzativo della conferenza internazionale "XII International Symposium on Blood Substitutes", Parma, 25-28 Agosto 2009. Membro del laboratorio Biopharmanet-Tec (Centro interdipartimentale per l'innovazione dei prodotti per la salute). Membro del SITEIA (Centro interdipartimentale sicurezza, tecnologie, innovazione agroalimentare). ATTIVITA’ SCIENTIFICA L’ attività di ricerca più recente è così articolata: 1) L’incapsulazione di proteine in gel porosi di silice è una metodica il cui sviluppo e diffusione hanno ricevuto un notevole impulso nell’ultimo decennio anche grazie alle ricerche condotte dal gruppo a cui appartiene il proponente. Questo approccio permette di immobilizzare macromolecole biologiche in una matrice inorganica tridimensionale, consentendo i) di isolare specie metastabili o scarsamente popolate in soluzione, rendendole accessibili a studi spettroscopici e microscopici, ii) di riprodurre in vitro gli effetti del confinamento molecolare su equilibri e dinamiche conformazionali, iii) di sviluppare biosensori e bioreattori basati su proteine incapsulate. Esperimenti su mutanti della green fluorescent protein (GFP) hanno evidenziato la conservazione delle proprietà strutturali e dinamiche della proteina immobilizzata. L’immobilizzazione in gel di silice è stata utilizzata per investigare, con tecniche di microscopia confocale, le proprietà fotochimiche, la stabilità termodinamica e cinetica ed il meccanismo di folding della GFP con risoluzione a singola molecola. Sono stati condotti esperimenti mirati a caratterizzare la dinamica delle variazioni spettrali e strutturali del cromoforo della GFP al variare del pH, attraverso la misura dell’assorbimento transiente e dell’emissione di fluorescenza in seguito alla rapida acidificazione del mezzo conseguente al rilascio di protoni da composti fotoattivabili. Esperimenti su mutanti condotti in collaborazione con il Prof. C. Viappiani dell’Università di Parma hanno contribuito far luce sugli aspetti strutturali del pathway di trasferimento protonico e delle dinamiche conformazionali che limitano l’interconversione tra i diversi stati di protonazione del cromoforo. Questa problematica è stata affrontata anche, in collaborazione con il gruppo dei Proff. G. Baldini, G. Chirico e M. Collini dell’Università di Milano-Bicocca, con tecniche di Spettroscopia di Correlazione di Fluorescenza con eccitazione a uno e due fotoni. Sono in corso studi sulle proprietà spettroscopiche e dinamiche di mutanti della GFP allo stato cristallino allo scopo di correlare, nello stesso stato fisico e in funzione di mutazioni specifiche, le proprietà funzionali con le informazioni strutturali raccolte attraverso la determinazione della struttura tridimensionale, in collaborazione col Prof. R. Battistutta dell’Università degli Studi di Padova. 2) Attraverso la correlazione tra la struttura tridimensionale in presenza ed assenza di ligandi e le proprietà funzionali di emoglobina (Hb) immobilizzata è stata approfondita la comprensione dei meccanismi di regolazione allosterica. Sono state studiate HbA, emoglobine umane mutate o modificate chimicamente, ibridi metallici Fe-Ni. Parte di questi studi, iniziati durante un soggiorno presso il Dept. of Medicine, State University of New York at Buffalo, Buffalo, NY, USA, sono stati condotti in collaborazione col Prof. Robert W. Noble. Con tecniche microspettrofotometriche è stato possibile lo studio delle proprietà funzionali di Hb immobilizzata in un singolo stato quaternario per cristallizzazione o incapsulazione in gel di silice. Variando i protocolli di gelificazione e le condizioni sperimentali è possibile bloccare o disaccoppiare cineticamente i rilassamenti terziari e quaternari conseguenti al legame di ligandi. I risultati degli studi sul legame dell’ossigeno e del CO, sia all’equilibrio sia con tecniche di flash-fotolisi con eccitazione laser, hanno evidenziato l’eterogeneità funzionale dello stato quaternario T dell’HbA, e portato allo sviluppo e validazione di un modello per la regolazione allosterica che rappresenta un’estensione di quello di Monod, Wyman e Changeux e ne colma le lacune nella descrizione degli effetti dei ligandi eterotropici. Il modello è stato sviluppato durante il periodo di post-dottorato trascorso presso il Laboratory of Chemical Physics, NIDDK, NIH, Bethesda, MD, USA, diretto dal Dr. William A. Eaton. Informazioni strutturali sulle diverse specie terziarie che popolano lo stato T sono state ottenute attraverso misure di spettroscopia Raman, durante un periodo trascorso presso il Dept. of Physiology and Biophysics, Albert Einstein College of Medicine, Bronx, NY, USA, e di spettroscopia di dicroismo circolare. L’attività più recente ha portato ad ulteriori verifiche del modello attraverso la caratterizzazione dell’evoluzione temporale della distribuzione di specie terziarie e quaternarie nel gel. Sono in corso studi volti a verificare le possibili applicazioni di emoglobine modificate geneticamente o chimicamente come trasportatori di ossigeno in vivo, in diverse condizioni patologiche. 3) Gli enzimi dipendenti dal piridossal 5’-fosfato (PLP) costituiscono un’ampia superfamiglia caratterizzata da un’elevata versatilità catalitica. In base alle caratteristiche stereochimiche delle reazioni catalizzate sono stati classificati in tre famiglie funzionali. Sulla base delle analogie di sequenza e di struttura, sono state invece identificate cinque classi strutturali. L’omologia di sequenza è spesso molto bassa anche all’interno di ciascun gruppo, nonostante comuni motivi strutturali e meccanismi di reazione. Quindi, la determinazione della dinamica e dei meccanismi di catalisi e di folding di enzimi PLP-dipendenti fornisce l'opportunità di studiare la relazione tra sequenza, struttura, funzione e folding. Il meccanismo di folding dell’isoenzima B dell’O-acetilserina sulfidrilasi (OASS) è stato caratterizzato con tecniche di spettrofotometria e spettrofluorimetria statica e risolta nel tempo, dicroismo circolare, risonanza magnetica nucleare e dynamic light scattering. Sono stati studiate anche isoforme diverse dell’OASS e gli effetti dell'interazione con altri enzimi coinvolti nel metabolismo dello zolfo. Stiamo attivamente investigando l'effetto di inibitori peptidici o peptidomimetici dell'OASS, in vista di un loro potenziale sviluppo come farmaci antibatterici. Durante diversi soggiorni presso il Laboratory of Fluorescence Dynamics, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA, diretto dal Prof. Enrico Gratton (ora all'University of California at Irvine), sono stati condotti esperimenti di spettroscopia di correlazione di fluorescenza e fluorescenza risolta nel tempo con eccitazione a due fotoni, che hanno permesso di risolvere l’eterogeneità molecolare di soluzioni molto diluite di OASS. Nuove informazioni sulle popolazioni dei diversi tautomeri dell’enzima presenti allo stato fondamentale ed eccitato sono state ottenute con una risoluzione a livello di singola molecola. I meccanismi di catalisi e di regolazione allosterica della triptofano sintasi sono stati investigati attraverso la caratterizzazione delle proprietà funzionali di mutanti e studi, condotti con tecniche di stopped-flow, sulla dipendenza dal pH delle velocità di reazione e della distribuzione di intermedi catalitici. PARTECIPAZIONE A PROGETTI DI RICERCA FINANZIATI. 1) Coordinatore dell’Unità di Ricerca di Parma nell’ambito del progetto PRIN (Bando 2008) “Sviluppo di proteine fluorescenti per nanoscopia ottica orientata allo studio di dinamiche cellulari” (Coordinatore Nazionale: Prof. A. Diaspro). L’unità di Parma svolge attività su: “Progettazione, espressione, e caratterizzazione spettroscopica e strutturale di proteine fluorescenti per applicazioni di micro- e nanoscopia ottica”. 2) Coordinatore dell’Unità di Ricerca di Parma nell’ambito del progetto PRIN (Bando 2006) “Sottostati conformazionali e percorsi di folding-unfolding nella green fluorescent protein: studio sperimentale e teorico alla ricerca di stati discreti nelle proteine”. L’Unità di Ricerca di Parma ha svolto attività su “Caratterizzazione spettroscopica di GFPmut2 e mutanti sito-specifici in soluzione e in gel di silice, allo stato nativo e in condizioni denaturanti”. 3) Membro del gruppo di ricerca dell’Università degli Studi di Parma finanziato a partire dall’anno 2008 dalla Fondazione Cassa di Risparmio di Parma per ricerche sul tema “Approcci biotecnologici alle patologie da ipo-ossigenazione: sostituti del sangue a base emoglobinica”. 4) Fa parte del gruppo che ha vinto un progetto di internazionalizzazione, su bando del MIUR, per gli anni 2006-2008, svolgendo attività in collaborazione con la Virginia Commonwealth University e la University of Oklahoma, USA. 5) Contributo 2004-2007 dell’Unione Europea nell'ambito del sesto programma quadro, coordinato dal Dr. Ken Lowe, University of Nottingham, Inghilterra, sul tema "EuroBlood Substitutes". 6) Progetto strategico CNR “Genomica Funzionale” sul tema “Basi strutturali dell’evoluzione e dell’attività protettiva dei meccanismi di difesa dell’ospite delle emoglobine troncate espresse da patogeni unicellulari”, coordinato dapprima dal Prof. M. Bolognesi e successivamente dal Prof. A. Mozzarelli. 7) Programma di ricerca scientifica di rilevante interesse nazionale (Bando 2003) sul tema “Basi molecolari della versatilità catalitica degli enzimi dipendenti dal piridossal 5'-fosfato”, coordinato dal Prof. F. Bossa. L’Unità di Ricerca di Parma, coordinata dal Prof. A. Mozzarelli, ha svolto attività su “Genomica funzionale, regolazione, stabilità e applicazioni biotecnologiche di enzimi dipendenti dal piridossal 5’-fosfato”. 8) Progetto FIRB Negoziale su “Nanodispositivi molecolari” (Bando 2001), coordinato dal Prof. R. Cingolani. L’Unità di Parma è stata coordinata dal Prof. M. Fontana. 9) Progetto di sezione (PAIS) dell’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia “SINGMOL - Structural and dynamic studies of proteins by single molecule spectroscopies”, finanziato per il biennio 2001-2002 e coordinato dal Prof. G. Chirico. 10) Progetto PRIN (Bando 2001) “Organizzazione strutturale, plasticità e versatilità catalitica di enzimi dipendenti dal piridossal 5’-fosfato”, coordinato dalla Prof. C. Voltattorni. L’Unità di Ricerca di Parma, coordinata dal Prof. A. Mozzarelli, ha svolto attività su “Isolamento e caratterizzazione di intermedi di catalisi e di folding in enzimi dipendenti dal piridossal 5’-fosfato allo stato cristallino, in gel di silice e in soluzione”. 11) Sub-contract tra l’Università di Parma e la University of New York at Buffalo, nell’ambito del Project 2, coordinato dal Prof. Robert W. Noble, nel programma di ricerca su “Hemoglobin: a workbench to study protein allostery”, coordinato dal Dr. Arthur Arnone, University of Iowa, USA. Il progetto è stato finanziato dal National Institutes of Health per il quinquennio 1999-2003. 12) Progetto finalizzato “Biotecnologie” del CNR nell’ambito dell’Unità di Parma, coordinato dal Prof. G. L. Rossi, dal 1996. 13) “Regolazione ed interazioni intersubunità in enzimi piridossal fosfato dipendenti ed in emoglobina”, finanziato dal Comitato Nazionale Biotecnologie e Biologia Molecolare del CNR nel 1996 (96.03750.CT14), 1997 (97.04377.CT14) e 1998 (98.01117.CT14). 14) “Oxygen binding to single crystals of hemoglobin”, in collaborazione con il Dr. William A. Eaton, NIH, Bethesda, MD, USA, finanziato attraverso un contratto di ricerca della NATO (CRG 930826) dal 1993 al 2000.

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Anno accademico di espletamento: 2013/2014

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