Laboratorio di Chimica Prebiotica

Laboratorio di Chimica Prebiotica, Dipartimento di Scienze Ecologiche e Biologiche, Università della Tuscia, Viterbo

​Referente: Raffaele Saladino

Il laboratorio di Chimica Prebiotica si occupa di ricerca fondamentale ed applicata nell’ambito della sintesi organica e delle nanotecnologie. In particolare, gli studi di sintesi organica sono orientati all sviluppo di processi prebiotici “one-pot” e “multi-componente” in grado di riprodurre in condizione controllate la chimica delle origini che ha portato alla formazione delle biomolecole fondamentali della vita in ambienti primitivi planetari e spaziali. In questo ambito è stato sviluppato il modello di chimica prebiotica della “formammide”, oggi riconosciuto a livello internazionale, che risulta in grado di spiegare la formazione contemporanea di tutti i diversi tipi di biomolecole necessarie per l’emergenza dell’apparato pre-genetico e pre-metabolico a partire da un unico precursore chimico, di semplice struttura e largamente diffuso nell’Universo.  Questa chimica ha permesso di dimostrare sperimentalmente e per la prima volta alcune specifiche proprietà associate alla emergenza della vita a livello molecolare, come ad esempio la chemiomimesi, ovvero la possibilità che i processi chimici primordiali possano avere agito da stampi molecolari per l’evoluzione della parte più antica della macchina cellulare. La chimica prebiotica, oltre ad essere la chimica delle origini, trova importanti applicazioni tecnologiche per la salute e il benessere umano e per la scienza dei materiali funzionali e ad alta prestazione. Il recente progetto di Ricerca di Interesse Nazionale PRIN (MIUR; 2019-2021) “Originale Chemiae in antiviral strategy-Origin and modernization of multi-component chemistry as a source of innovative broad spectrum antiviral strategy”, di cui il laboratorio di Chimica Prebiotica è il capofila, rappresenta un primo esempio di come la chimica delle origini possa trovare applicazione per lo sviluppo, in modo alternativo alle procedure tradizionali, di nuovi farmaci. Il laboratorio di Chimica Prebiotica è inoltre coinvolto in due ulteriori e recenti progetti applicativi della chimica delle origini, “Life in space – Origin, Presence, Persistence of life in Space, from molecules to extremophiles-OPPS” (Agenzia Spaziale Italiana; 2019-2022) nel quale viene sviluppata la chimica prebiotica della formammide in un contesto spaziale con una particolare attenzione alla chiralità dei processi, in quanto proprietà fondamentale dei sistemi viventi, e il progetto “Add+BIO:  Turning urban waste into bio-based additives and high-performance polymers for market applications” (EU H2020 BBI; 2019-2021) in cui la chimica prebiotica della formammide originariamente sviluppata per la fosforilazione dei nucleosidi in modelli terrestri e spaziali primitivi, viene rivisitata ed applicata alla funzionalizzazione selettiva di materiali di scarto per la produzione di ritardanti di fiamma eco-sostenibili. Parallelamente a queste attività,  il laboratorio di Chimica Prebiotica ha sviluppato negli ultimi anni un nuovo ambito di ricerca, quello nanotecnologico, volto alla progettazione, sviluppo e validazione di nuovi materiali e sensori utili per l’identificazione analitica di molecole di interesse come potenziali marcatori della vita. Tali sistemi, che sono basati sulla tecnologia delle nanoparticelle di lignina funzionalizzate con enzimi in grado di riconoscere selettivamente specifici analiti, risultano molto più semplici da realizzare ed applicare rispetto ai complessi sistemi immuno-istochimici, si prestano alla automatizzazione, ed hanno una maggiore versatilità per riconoscere contemporaneamente diversi tipi di composti. Un primo risultato di questa tecnologia è rappresentato dal recente progetto “FISH chitinolityc biowastes for FISH active and sustainable packaging material-FISH4FISH” (EU H2020 BBI; 2019-2021) nel quale queste nanotecnologie sono applicate per lo sviluppo di bio-plastice innovative in grado di proteggere gli alimenti dal danno ossidativo, di bloccare la formazione di radicali liberi, e di cambiare colore in funzione della formazione di prodotti di decomposizione del cibo. In ambito biotecnologico, il laboratorio di Chimica Prebiotica è un componente di IBISBA ““Industrial Biotechnology Innovation and Synthetic Biology Accelerator (IBISBA 1.0)” - H2020-INFRAIA (2017-2021) e “PREP-IBISBA” - H2020 INFRADEV (2020-2024), che rappresenta una piattaforma di ricerca e innovazione per sostenere le biotecnologie industriali europee, di cui il referente italiano è il prof. Marco Moracci (Università Federico II di Napoli, vice-Presidente della SIA), principale investigatore del progetto svolto in collaborazione dal titolo "Esobiologia e ambienti estremi: dalla Chimica delle Molecole alla Biologia degli Estremofili" (Agenzia Spaziale Italiana; 2014-2016). Questo progetto ha prodotto tra i vari risultati la progettazione e realizzazione da parte di Kaiser Italia di un reattore chimico/biologico per lo studio dei processi prebiotici e microbiologici in condizioni estreme, utile in ambito delle missioni spaziali.

The Prebiotic Chemistry laboratory deals with fundamental and applied research in the field of organic synthesis and nanotechnologies. In particular, organic synthesis studies are oriented towards the development of "one-pot" and "multi-component" prebiotic processes capable of reproducing the original chemistry under controlled conditions that led to the formation of the fundamental biomolecules of life in primitive environments planetary and space. In this context, the model of prebiotic chemistry of "formamide" was developed, now internationally recognized, which is able to explain the simultaneous formation of all the different types of biomolecules necessary for the emergence of the pre-genetic apparatus and pre-metabolic starting from a single chemical precursor, of simple structure and widely diffused in the Universe. This chemistry has made it possible to demonstrate experimentally and for the first time some specific properties associated with the emergence of life at the molecular level, such as, for example, chemiomimesis, or the possibility that primordial chemical processes may have acted as molecular templates for the evolution of the older than the cellular machine. Prebiotic chemistry, in addition to being the chemistry of the origins, finds important technological applications for human health and well-being and for the science of functional and high-performance materials. The recent Research Project of National Interest PRIN (MIUR; 2019-2021) "Originale Chemiae in antiviral strategy-Origin and modernization of multi-component chemistry as a source of innovative broad spectrum antiviral strategy", of which the Prebiotic Chemistry laboratory is the lead partner, represents a first example of how the chemistry of the origins can find application for the development, in an alternative way to the traditional procedures, of new drugs. The Prebiotic Chemistry laboratory is also involved in two further and recent application projects of the chemistry of origins, "Life in space - Origin, Presence, Persistence of life in Space, from molecules to extremophiles-OPPS" (Italian Space Agency; 2019-2022 ) in which the prebiotic chemistry of formamide is developed in a spatial context with particular attention to the chirality of processes, as a fundamental property of living systems, and the project "Add+BIO: Turning urban waste into bio-based additives and high- performance polymers for market applications” (EU H2020 BBI; 2019-2021) in which the prebiotic chemistry of formamide originally developed for the phosphorylation of nucleosides in primitive terrestrial and space models, is revisited and applied to the selective functionalization of waste materials for the production of environmentally sustainable flame retardants. Parallel to these activities, the Prebiotic Chemistry laboratory has developed in recent years a new research field, the nanotechnology one, aimed at the design, development and validation of new materials and sensors useful for the analytical identification of molecules of interest as potential markers of life. These systems, which are based on the technology of lignin nanoparticles functionalized with enzymes capable of selectively recognizing specific analytes, are much simpler to implement and apply than complex immuno-histochemical systems, lend themselves to automation, and have greater versatility for simultaneously recognize different types of compounds. A first result of this technology is represented by the recent project “FISH chitinolityc biowastes for FISH active and sustainable packaging material-FISH4FISH” (EU H2020 BBI; 2019-2021) in which these nanotechnologies are applied for the development of innovative bio-plastics able to protect foods from oxidative damage, to block the formation of free radicals, and to change color according to the formation of food decomposition products. In the biotechnology field, the Prebiotic Chemistry laboratory is a component of IBISBA ""Industrial Biotechnology Innovation and Synthetic Biology Accelerator (IBISBA 1.0)" - H2020-INFRAIA (2017-2021) and "PREP-IBISBA" - H2020 INFRADEV (2020-2024 ), which represents a research and innovation platform to support European industrial biotechnologies, of which the Italian referent is prof. Marco Moracci (Federico II University of Naples, Vice-President of the SIA), principal investigator of the project carried out in collaboration entitled "Exobiology and extreme environments: from the Chemistry of Molecules to the Biology of Extremophiles" (Italian Space Agency; 2014-2016). Among other results, this project has produced the design and construction by Kaiser Italia of a chemical/biological reactor for the study of prebiotic and microbiological processes in extreme conditions, useful in the field of space missions.