La rivista scientifica Nature ha pubblicato uno studio che presenta i risultati del 4D Nucleome Project dell’NIH (National Institute of Health – USA) che fornisce una descrizione dettagliata dell’organizzazione spaziale del DNA umano basata sull’integrazione di metodi interdisciplinari che spaziano dalle tecnologie genomiche e di imaging, ai modelli di fisica teorica e approcci computazionali. Il lavoro costituisce una base fondamentale per comprendere il legame tra la disposizione fisica del DNA dei cromosomi nel nucleo cellulare e la regolazione dei geni in essi contenuti. Lo studio si inquadra nelle attività della Commissione scientifica per la fisica teorica (CSN4) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e, in particolare, nell’iniziativa specifica “BioPhys”.
Il progetto 4D Nucleome (4DN)
L’organizzazione tridimensionale del DNA umano svolge un ruolo fondamentale nel controllo dell’utilizzo dell’informazione genetica. Il progetto 4D Nucleome ha l’obiettivo di studiare questa organizzazione nello spazio e nel tempo, la quarta dimensione. Il nucleo cellulare contiene il DNA sotto forma di 23 coppie di filamenti detti cromosomi, che includono i geni necessari alla produzione delle proteine coinvolte nelle funzioni vitali della cellula. Il modo in cui il DNA è organizzato, conservato e reso accessibile nel nucleo è cruciale per la salute umana e per comprendere come alterazioni di questa organizzazione possano essere associate allo sviluppo di malattie, come il cancro, o influenzare la risposta ad agenti infettivi.
Gli sforzi del consorzio di ricerca hanno, inoltre, permesso di identificare alcuni meccanismi fisici fondamentali che controllano la complessa organizzazione spaziale del genoma, come processi separazioni di fase, inizialmente individuati dagli studi pionieristici del gruppo di Mario Nicodemi usando modelli di meccanica statistica dell’ambiente nucleare.
“Avendo individuato i meccanismi fisici che regolano il sistema”, sottolinea Mario Nicodemi, professore dell’Università Federico II di Napoli e associato INFN, “possiamo per la prima volta comprendere, usando modelli di fisica, come alterazioni dell’organizzazione spaziale del genoma portino all’insorgere del cancro o di altre di malattie genetiche”.
Per le sue scoperte scientifiche alla frontiera tra fisica e biologia, Mario Nicodemi ha ricevuto nel 2016 la Einstein BIH Fellowship della Fondazione Einstein di Berlino e nel 2022 la Medaglia Occhialini della Società Italiana di Fisica (SIF) e dello UK Institute of Physics (IOP).
Lo studio esplora, infine, l’uso di metodi di machine learning e intelligenza artificiale per predire la conformazione cromosomica a partire dalla sequenza di DNA e per identificare elementi regolatori coinvolti nel ripiegamento del genoma. Questi approcci forniscono nuovi strumenti per collegare l’architettura genomica ai processi biologici e rappresentano una base per studi futuri sul nucleoma 4D.
Link al paper: https://www.nature.com/articles/s41586-025-09890-3
