Ruolo biologico delle conformazioni dei biopolimeri. Le porfirine come reporter specifici

Biopolymers, such as polynucleotides and proteins, exhibit a variety of conformations that govern their biological roles. The structure adopted by biomolecule is thermodynamically the most stable, which is allocated in a minimum energy state. The role of the structure is to protect the information that the molecule carries from the attack of other molecules, allowing to the biomolecules to reach the target. Therefore the three-dimensional arrangement of biopolymers directly impacts their biological activity and is essential for their optimal functions. Hence, studying the conformation of biopolymers is vital for comprehending their structure, function, and interactions within biological systems. Indeed exploring the dynamics of these conformations has yielded insights into fundamental biological processes and contributed to therapeutic advancements. In particular by studying folding patterns, secondary structures, and higher-order arrangements, we have gained knowledge about gene regulation, cellular signaling, enzymatic catalysis, and disease mechanisms. Moreover, the study of biomolecule conformations has facilitated the design of innovative drugs, therapeutic interventions, and diagnostic tools. Indeed to find ligands that interact specifically with conformation allow to interfere with biological process and/or to obtain more information on that conformation. Through the examination of three-dimensional structures and dynamic alterations of biopolymers, we can obtain invaluable insights into the fundamental mechanisms governing vital life processes. This knowledge bears immense significance across a range of scientific disciplines, involving molecular biology, biochemistry, drug discovery, and biotechnology. In this thesis, I explored the secondary structures of various polynucleic acids using biophysical methods and employed porphyrins as specific reporters. We investigated how micro-RNA stability influences biological activity and revealed the role of porphyrins in interacting with miRNA and telomeric RNA sequences. We also studied cytosine-rich variants from the human c-MYC promoter, confirming their ability to adopt i-motif conformations. Our findings provide insights into the roles of nucleic acid structures in biological systems, offering avenues for advancements in disease diagnosis, treatment, and beyond. Future work will focus on molecular interactions, including with porphyrins, with implications for biomedicine, biotechnology, and nanotechnology.

I biopolimeri, come i polinucleotidi e le proteine, presentano una varietà di conformazioni che ne regolano il ruolo biologico. La struttura adottata dalla biomolecola è quella termodinamicamente più stabile, che si trova in uno stato di minima energia. Uno dei ruoli della struttura adottata è quello di proteggere le informazioni che la molecola trasporta dall'attacco di altre molecole, come ad esempio gli enzimi, permettendo alle biomolecole di raggiungere il bersaglio. Pertanto, la disposizione tridimensionale dei biopolimeri influisce direttamente sulla loro attività biologica ed è essenziale affinché possano svolgere le loro funzioni in maniera efficiente. Pertanto, lo studio delle conformazioni dei biopolimeri è fondamentale per comprenderne la struttura, la funzione e le interazioni all'interno dei sistemi biologici. Esso, inoltre, ha permesso di comprendere i processi biologici fondamentali e contribuito allo sviluppo di terapie efficaci. In particolare, studiando i modelli di folding, le strutture secondarie e le interazioni supramolecolari, è stato possibile acquisire conoscenze sulla regolazione genica, sulla segnalazione cellulare, sulla catalisi enzimatica e sui meccanismi di alcune malattie. Inoltre, lo studio delle conformazioni delle biomolecole ha facilitato la progettazione di farmaci innovativi, interventi terapeutici e strumenti diagnostici. Infatti, trovare ligandi che interagiscono in modo specifico con la conformazione permette di interferire con il processo biologico e/o di ottenere maggiori informazioni su una conformazione specifica. Attraverso l'analisi delle strutture tridimensionali e delle variazioni conformazionali dei biopolimeri, possiamo ottenere preziose informazioni sui meccanismi fondamentali che regolano i processi vitali. Queste informazioni hanno un riscontro positivo in una serie di discipline scientifiche che coinvolgono la biologia molecolare, la biochimica, lo sviluppo di farmaci e la biotecnologia. In particolare, in questa tesi ho esplorato le strutture secondarie di vari acidi nucleici utilizzando metodi biofisici e impiegando le porfirine come reporter specifici. Inoltre, ho studiato come la stabilità dei microRNA influenzi l'attività biologica e ho dimostrato il ruolo delle porfirine nell'interazione con sequenze di miRNA e RNA telomerico. Abbiamo anche analizzato sequenze di DNA ricche in citosina derivanti dal gene umano c-MYC, confermando la loro capacità di adottare conformazioni i-motif. I nostri risultati forniscono approfondimenti sul ruolo delle strutture degli acidi nucleici nei sistemi biologici, offrendo possibilità di avanzamento nella diagnosi e nel trattamento delle malattie. Il lavoro futuro si concentrerà sulle interazioni molecolari, anche con le porfirine, con implicazioni per la biomedicina, la biotecnologia e le nanotecnologie.