WORKSHOP 
"DNA, MATEMATICA E MECCANICA"
DIPARTIMENTO DI MATEMATICA
COLLEGIO FIORINI
LECCE 26-28 MAGGIO 2005

Comitato Scientifico
Michele Campiti -  Giuseppe Gaeta -  Deborah Lacitignola -
Rosanna Marinosci - Paolo Nobili - Giuseppe Saccomandi -
Ivonne Sgura - Paola Vocca

Comitato Organizzatore
D.Lacitignola - I.Sgura


Sponsors:
La conferenza ha ricevuto il supporto finanziario dalle seguenti istituizioni e dai seguenti progetti:

Università degli Studi di Lecce

Dipartimento di Matematica "E.De Giorgi"  (Lecce)

Dipartimento di Ingegneria dell'Innovazione (Lecce)

Progetto PRIN  2004  "Modelli Matematici per la Dinamica del DNA"
(Coordinatore Nazionale  Prof. G. Saccomandi)

Progetto GNFM (INDAM)  "Problemi fisici matematici della termomeccanica dei materiali elastomerici"



Per  partecipare al Workshop o per ulteriori informazioni
potete inviare un e-mail o contattare telefonicamente

Deborah Lacitignola
Dipartimento di Matematica
Università di Lecce 
deborah.lacitignola@unile.it
Tel. 0832-297586

Ivonne Sgura
Dipartimento di Matematica
Università di Lecce 
ivonne.sgura@unile.it
Tel. 0832-297591

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 PARTECIPANTI

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 Maria Barbi  (Università Pierre et Marie Curie- Parigi)
 
Marco Boiti   (Università di Lecce)

Maria Pia Bozzetti   (Università di Lecce)

Simona Cocco  (CNRS, Laboratorio di Fisica Statistica de l'Ecole Normale Superieure - Strasburgo)     

Domenico De Tommasi  (Politecnico di Bari)

David Dunlap   (Advanced Light and Electron Microscopy Bio-Imaging Centre (ALEMBIC),  San Raffaele Scientific Institute – Milano)
         
Laura Finzi     (Università di Milano Statale)
    
Giuseppe Gaeta  (Università di Milano Statale)

Alberto Imparato  (Università di Napoli "Federico II" )
 
Deborah Lacitignola  (Università di Lecce)

Marzio Lembo   (Università di Roma III.)

Sara Lombardo   (Dept. of Applied Mathematics, University of Leeds, UK and  Dept. of  Mathematics, Faculty of Science, Vrije Universiteit, Amsterdam, NL )

Luigi  Martina  (Università di Lecce )

Andrea Nobili  (Università di Modena)

Luca Peliti   (Università di Napoli "Federico II" )
 
Flora Pempinelli  (Università di Lecce)

Domenico Perrone  (Università di Lecce)

Giuseppe Puglisi  (Politecnico di Bari)

Angelo Rosa  (EPFL, École Polytechnique Fédérale de Lausanne)

Giuseppe Saccomandi  (Università di Lecce)

Ivonne Sgura  (Università di Lecce)

Angelo Marcello Tarantino  (Università di Modena)

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 PROGRAMMA PRELIMINARE

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Giovedì 26  Maggio	Venerdì 27 Maggio	Sabato 28 Maggio
16.00-16.20  INTRODUZIONE  G.Saccomandi 16.20-17.20  L. Finzi 17.20-17.40 COFFEE-BREAK 17.40-18.40 D. Dunlap  18.40-19.10 A. Nobili	9.30-10.30  L. Peliti  10.30-11.00  COFFEE-BREAK 11.00-12.00  A. Rosa 12.00-12.30  I. Sgura 13.00-15.00  PAUSA PRANZO 15.00-16.00  M. Barbi 16.00-17.00  S. Cocco 17.00-17.30 COFFEE-BREAK 17.30-18.15  M. Lembo 18.15-19.00  A.M. Tarantino 20.00: Breve tour per la città 21.00 CENA SOCIALE	9.30-10.30 G. Gaeta 10.30-11.00 COFFEE-BREAK 11.00-11.45  F. Pempinelli 11.45-12.20  G. Puglisi 12.20-13.00  S.Lombardo 13.00-13.10 CONCLUSIONI Pomeriggio Incontro finale progetto GNFM

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ABSTRACTS

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Maria Barbi
Un modello matematico della fibra di cromatina

La capacità della cellula eucariota di contenere, utilizzare e duplicare il dna rimane uno degli interrogativi più affascinanti della biologia.
Metri di dna sono compattati nel nucleo grazie all'azione di proteine strutturali che agiscono come bobine su cui il dna  si arrotola, piegandosi. L'assemblaggio che ne risulta (cromatina) deve essere sufficientemente compatto ma allo stesso tempo deve permettere l'accesso alle differenti regioni del genoma in funzione delle necessità della cellula; inoltre deve potersi compattare ulteriormente a formare i cromosomi al momento della divisione cellulare. Tutte queste esigenze sembrano poter essere soddisfatte grazie ad una organizzazione gerarchica del dna, precisamente strutturata su vari livelli di impacchettamento, come messo in evidenza dagli studi più  recenti. Le importanti modificazioni di questa struttura associate alle diversi fasi del ciclo cellulare ne modificano poi considerabilmente l'organizzazione e il grado di compattezza.
Per cercare di comprendere l'organizzazione e la dinamica della cromatina può essere utile prendere in considerazione le limitazioni fisiche ed i vincoli topologici ai quali il dna nucleare è sottoposto, cercando di integrare in un quadro unico le informazioni disponibili su diverse scale spaziali e per diverse fasi della vita cellulare. A guida di questo tentativo di ricostruzione della struttura della cromatina e delle sue evoluzioni, la funzionalità biologica dei modelli e l'efficacia dei meccanismi proposti.


David Dunlap
Positively charged surface increase flexibility of DNA

Many proteins "bind" DNA through positively charged amino acids on their surfaces. However in order to overcome significant energetic and topological obstacles, proteins that bend or package DNA might also modulate the stiffness that is generated by repulsions between phosphates within DNA. Much previous work describes  how ions change the flexibility of DNA in solution, but when considering macromolecules such as chromatin in which the DNA contacts the nucleosome core once each turn of the double helix, it may be more appropriate to assess the flexibility of DNA on charged surfaces. Mica coated with positively charged molecules is a convenient substrate upon which the flexibility of DNA may be directly measured with a scanning force microscope. In the experiments described below,  the flexibility of DNA increased as much as 5-fold depending on the concentration and type of polyamine used to coat mica. Using theory that relates charge neutralization to flexibility, we predict that phosphate repulsions were attenuated by approximately 50% in the most flexible DNA observed.  This simple method is an important tool for investigating the physiochemical causes and molecular biological effects of DNA flexibility which affects DNA biochemistry ranging from chromatin stability to viral encapsulation.    


Laura Finzi
Cambiamenti conformazionali nel DNA osservati dinamicamente tramite tecniche di tethered particle motion (TPM)

La trascrizione genica è regolata con estrema precisione. Cambiamenti conformazionali e/o topologici, quali la formazione di anse nel DNA, il piegamento della doppia elica, e l’avvolgimento di essa intorno a proteine regolatrici possono favorire o ostacolare la decodificazione dei geni ad opera della proteina motore RNA polimerasi. Anche il livello di superavvolgimento del DNA costituisce un fine meccanismo di regolazione che si può sommare ai precedenti. La dinamica e l’energetica di tali cambiamenti può essere studiata tramite tecniche di “tethered particle motion” (TPM) che permettono di confrontare il moto Browniano di sonde ottiche su singole molecole di DNA in presenza e in assenza di proteina. Illustrerò alcuni sistemi modello che stiamo studiando e l’analisi che abbiamo applicato per l’interpretazione dei risultati.


Giuseppe Gaeta
Modelli per la dinamica non lineare della trascrizione del DNA

Discuterò alcuni problemi aperti nella modellizzazione della trascrizione del DNA dal punto di vista della dinamica di una catena nonlineare, sottolineando similarita' e differenze con la modellizzazione della denaturazione del DNA (trattata da Peyrard, Bishop, Barbi, Cocco) e le possibilita' di confronto con gli esperimenti su singole molecole


Marzio Lembo
Problemi di dinamica e stabilità di travi anulari

Si discutono, nell'ambito della teoria di Kirchhoff delle travi elastiche ad asse inestensibile, le oscillazioni in prossimità di configurazioni di equilibrio nelle quali la trave ha  forma anulare e che non costituiscono stati naturali del corpo. Si esamina la stabilità di configurazioni d'equilibrio anulari ottenute deformando travi il cui asse, in uno stato naturale,  presenta curvatura e torsione uniformi; la stabilità di tali configurazioni è valutata in base al segno della seconda variazione del funzionale dell'energia. I risultati sono applicabili allo studio di proprietà di anelli di DNA, per i quali la configurazione circolare non sia uno stato naturale, nei casi in cui il comportamento meccanico sia rappresentabile attraverso il modello di trave di Kirchhoff.


Sara Lombardo 
Integrabilità di modelli discreti per la dinamica del DNA e di altri polimeri

Alcune proprietà matematiche di equazioni differenziali definite su reticoli discreti che possono simulare il comportamento del DNA e di altri polimeri anche sintetici. Si dimostra che, in alcuni casi speciali, questi modelli sono integrabili.


Andrea Nobili
Elastomeri Magnetici

Gli elastomeri magnetici sono materiali polimerici che reagiscono ai campi magnetici. Le applicazioni di questi materiali sono particolarmente interessanti ed innovative inquanto permettono il controllo delle deformazioni meccaniche grazie all'applicazione dei campi magnetici. Si presentano le equazioni di campi e si propongiono alcune equazioni costitutive fenomenologiche che sembrano descrivere qualitativamente i dati sperimentali che sono stati redentemente determinati da vari gruppi di ricerca.


Luca Peliti
Micromanipolazione di biopolimeri

Le tecniche di micromanipolazione tramite AFM od optical tweezers sono state applicate ai biopolimeri (acidi nucleici e proteine) allo scopo, fra l'altro, di esplorarne il paesaggio di energia libera. Farò una breve rassegna della teoria soggiacente a questo approccio discutendone i vantaggi e le difficoltà.


Flora Pempinelli 
Interazione risonante a due onde nel modello di Davydov                                 

Si studia il modello  di Davydov per l’accoppiamento eccitone-fonone in una catena molecolare diatomica in un contesto di interazione risonante a 2 onde. Questo modello puo` essere applicato sia alle proteine alpha helix sia alla molecola di acetanilide.Si dimostra che il sistema possiede due differenti tipi di soluzioni solitoniche, in cui l’onda eccitonica puo` essere localizzata (bell shape) oppure topologica (kink shape).


Giuseppe Puglisi
L'effetto Mullins

L'effetto Mullins è la principale causa di "softening" che si possa avere nelle gomme. Si presenta un modello mesoscopico di questo fenomeno. Si considera un reticolo polimerico con alcune molle che possono fratturarsi con una certa distribuzione di probabilità arrivate ad una certa estensione. Dal modello mesoscopico si ottiene con un opportuno processo di media un modello macroscopico che risulat essere il modello di un continuo elastico dove la configurazione di riferimento può variare con una certa legge.


Giuseppe Saccomandi  
Dai polimeri sintetici ai polimeri biologici

Presentazione del  Progetto Prin 2004  "Modelli Matematici per la Dinamica del DNA"  e del Progetto GNFM - INDAM  "Problemi fisici matematici della termomeccanica dei materiali elastomerici" con particolare attenzione ad evidenziare le differenze tra i polimeri sintetici ed i polimeri biologici. 


Ivonne Sgura 
Considerazioni numeriche sulle formule interpolatorie Worm-Like-Chain (WLC)

Tipicamente la lunghezza di persistenza e la lunghezza totale di una macromolecola di DNA vengono identificate a partire da dati sperimentali di tipo estensione-forza applicata, risolvendo un problema di minimi quadrati non lineare basato sulla formula interpolatoria WLC [Bustamante et al 1994] oppure sulla sua correzione polinomiale [Bouchiat et al 1999]. 
In questa presentazione si prova che la formula WLC polinomiale è affetta da problemi di mal condizionamento numerico. Come rimedio si propone una nuova formula interpolatoria che, per tener conto del comportamento della molecola ad estensioni moderate, modifica la formula WLC originaria seguendo le motivazioni bio-fisiche che l'hanno introdotta. Considerando tre diversi set di dati sperimentali, si mostra che la nuova formula dà errori confrontabili e talvolta più piccoli della formula WLC polinomiale.


Angelo Rosa
Meccanica Statistica del DNA: Teoria ed esperimento

Usando tecniche di Microscopia a Forza Atomica su lunghe molecole di DNA, e' stato possibile determinare l'esponente critico µ  della lunghezza di correlazione, misurando direttamente il raggio medio come funzione della lunghezza del filamento di DNA. Le misure sono state prese su DNA lineare fino a 48,502 coppie di basi in condizioni di assorbimento irreversibile su uno strato di mica. In particolare e' stato possibile determinare sperimentalmente la distribuzione delle distanze end-to-end e confrontare questa con formule teoriche derivate dalla teoria del Self-Avoiding Walk e del Worm-like Chain model. Viene proposta una nuova stima della lunghezza di persistenza, interpretabile come una lunghezza di crossover fra due differenti regimi.


Angelo Marcello Tarantino
Meccanica delle Bitravi

Le bitravi sono elementi strutturali compositi che permettono di descrivere una miscela di travi e quindi sono particolarmente interessanti per le potenziali applicazioni nell'ambito dei DNA. In questo seminario si presentano le equazioni di campo e le equazioni costitutive nei casi più elementari ponendo l'accento sui problemi aperti.