Macroarea di ricerca: Chimica Organica

Referenti: Mauro Freccero, Filippo Doria, Valentina Pirota

Settore ERC: PE5_17 Organic chemistry, PE5_18 Medicinal chemistry, PE5_11 Biological chemistry and chemical biology

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Chimica Organica - Lab G
Temi di ricerca

1. Sintesi di leganti funzionali per strutture secondarie di Acidi Nucleici.
I G-Quadruplex (G4) sono una struttura secondaria di acidi nucleici (NA) a quattro filamenti tenuta insieme da un legame idrogeno tra quattro guanine. La presenza di G4 nel genoma, nel trascrittoma e nei telomeri li correla a significative funzioni biologiche quali la regolazione della replicazione, della trascrizione, della traduzione e il mantenimento dei telomeri. Il naturale equilibrio di ripiegamento/dispiegamento dei G4 può essere regolato da piccole molecole che agiscono come ligandi di acidi nucleici (G4L). Nel nostro laboratorio progettiamo e sintetizziamo nuovi G4L selettivi, sfruttando la complessità strutturale e topologica del target, attraverso la moderna chimica organica. I leganti sviluppati hanno l’obiettivo di trasportare sul target gruppi funzionali aggiuntivi in grado di cambiare le proprie proprietà in seguito all’interazione, subendo una reattività ligando-bersaglio cataliticamente rilevante (alchilazione, “cross-linking” e “cleavage”) che può essere indotta anche da uno stimolo esterno (indotto da luce o lo stress ossidativo). La caratterizzazione delle proprietà e della reattività dei leganti, comprese le interazioni G4/legante, è completata da diverse tecniche, tra cui dicroismo circolare (CD), spettrometria di massa (MS) e metodi high-throughput (trasferimento di energia di risonanza di fluorescenza (FRET)-fusione e G4-fluorescente saggio di spostamento intercalante (G4-FID).

2. Sviluppo di sonde fluorescenti selettive per acidi nucleici.
Il rilevamento di G4 e di altre strutture secondarie di acidi nucleici è un'area di ricerca molto importante per la diagnostica di NA. Diverse tecniche sperimentali sono in grado di verificare la presenza di G4 in vitro, ma sono difficilmente applicabili in vivo. Per esplorare le formazioni e le funzionalità delle strutture G4 nelle cellule, sono necessarie sonde fluorescenti. In questo progetto vengono sviluppate piccole molecole e coniugati innovativi che accendono la loro fluorescenza solo inseguito all’interazione con il target, riconoscendo selettivamente DNA e RNA G4 e altre strutture secondarie, in base alla loro struttura e sequenza topologica. La selettività del bersaglio e la permeabilità cellulare sono potenziati dalla coniugazione con acidi nucleici peptidici (PNA) o opportune sequenze peptidiche.

3. Target Guided Synthesis per Srutture Secondarie di Acidi Nucleici.
L'approccio di sintesi guidata dal target (TGS) è un metodo efficiente per sviluppare leganti/farmaci nuovi e selettivi che assemblano porzioni strutturali mediante click chemistry, guidati da una tasca di legame. Strutture secondarie di NA, come LTRIIII G4, saranno utilizzate come stampo per sintetizzare i migliori leganti a partire da una serie di frammenti di piccole molecole, funzionalizzati con gruppi reagenti complementari. Ad oggi sono stati riportati solo pochi esempi in cui acidi nucleici strutturati a G4 sono usati come bersaglio, utilizzando reazioni di cicloaddizioni catalizzate da rame. Nel nostro laboratorio stiamo sviluppando un nuovo approccio fotochimico TGS (photo-click-reaction) realizzabile senza la catalisi del metallo, sfruttando la generazione fotochimica di frazioni reattive pre-organizzate sul template G4.

4. Sviluppo di nuove specie reattive generate fotochimicamente.
Comprendere come piccole molecole interagiscono con proteine e NA a livello molecolare è una sfida centrale della moderna chemical biology e la chimica può fornire importanti strumenti per tale investigazione. Ciò può essere ottenuto chimicamente incorporando porzioni fotoreattive in piccole sonde, progettate per intrappolare/congelare le interazioni tra leganti e proteine (SMPI). Questa strategia è chiamata” photoaffinity labelling” (PAL). Stiamo progettando strategie PAL per NA e proteine utilizzando intermedi reattivi fotogenerati come chinoni metidi, carbocationi, radicali fenossilici, nitreni e carbeni, che devono essere generati da precursori stabili (basi di Mannich, aril azidi e diazirine) coniugati con leganti di acidi nucleici.

5. Sintesi di inibitori di Splicing selettivi per la terapia antitumorale. Lo spliceososoma (SPL) è una vasta gamma di complessi costituiti da piccoli RNA nucleari e proteine ed è un articolato macchinario di cellule eucariotiche. Quando i fattori di splicing (stringhe di mRNA per la rimozione di proteine) subiscono mutazioni somatiche, il legame/riconoscimento delle sequenze NC può essere difettoso, inducendo la selezione di una SS criptica (errata) e risultando in trascritti aberranti. Questo splicing aberrante indotto dalle mutazioni dei fattori di slicing è stato individuato come un percorso chiave nell'insorgenza del cancro. Piccole molecole che prendono di mira componenti specifici dell'SPL offrono prospettive intriganti per ideare farmaci candidati per la terapia anticancro a causa della deregolamentazione dello splicing. Per raggiungere questo obiettivo, stiamo concentrando i nostri sforzi su due diversi approcci. Il primo è la sintesi totale di nuovi derivati dell'erboxidiene in grado di legare selettivamente il nostro target agendo da modulatori di splicing. Il secondo approccio prevede la sintesi di peptidi stabili e ciclici, poiché l'analisi computazionale ha suggerito che la tasca di legame allosterico può essere riconosciuta anche da peptidi specifici.

6."Transizione verde" biocatalitica dei processi industriali per la produzione di antibiotici Cefalosporinici e Carbapenemici.
La biocatalisi è stata riconosciuta come fondamentale per il raggiungimento di nuovi processi industriali sostenibili nella sintesi di cefalosporine e antibiotici carbapenemici. Il piano operativo prevede l'individuazione di processi sintetici ad alto costo e ad alto impatto ambientale nonché la ricerca e l'ottimizzazione di un'alternativa enzimatica. I nuovi processi sintetici in esame sono stati progettati in soluzione acquosa per sostituire i solventi tossici, e a temperatura ambiente, determinando un forte risparmio energetico e una significativa riduzione delle emissioni di anidride carbonica.

Collaborazioni Scientifiche
  • Prof. Sara N. Richter, Dip. di Istologia, Microbiologia e Biotecnologie Mediche (IMBM) , Padua, (Italy).
  • Prof. Daniela Montesarchio, Dipartimento di Scienze Chimiche, Università di Napoli Federico Secondo, Napoli, (Italy).
  • Dr. Daniela Verga, Institut Curie, Paris, (France).
  • Dr. Juan Carlos Morales, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Instituto di Parasitologia y Biomedicina, 18016 Armilla, Granada, (Spain).
  • Prof. Oscar Kuipers, Faculty of Science and Engineering, University of Groningen (Holland).
  • Dr. Alessandra Magistrato, CNR-IOM Trieste SISSA (Italy).
  • Dr. Ilse Manet, Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività, CNR , Bologna, (Italy).
  • Dr. Annamaria Biroccio, Istituto Regina Elena, Roma, (Italy).
  • Prof. Antonella Forlino, Dipartimento di Medicina Molecolare, Università degli studi di Pavia (Italy).
  • Prof. Yanez Plavec. Slovenian NMR Centre, National Institute of Chemistry, Hajdrihova 19, SI-1000 Ljubljana, (Slovenia).
  • Prof Antonio Antoccia, Dip. Di Scienze, Università “Roma Tre”, Roma, (Italy)
  • Prof. Giorgio Colombo, Dipartimento di Chimica, Università degli studi di Pavia (Italy).
  • Dr. Aldo Tava. Polo delle Microalghe, CREA , Lodi (Italy).
  • Prof. Giulia Grancini. Dipartimento di Chimica, Università degli studi di Pavia (Italy).
  • Prof. Jean Louis Mergny. Ecole Polytechnique, Paris (France).
  • Prof. Stefano Alcaro. Dipartimento di Scienze della Salute, Università Magna Grecia di Catanzaro (Italy).
  • Prof. Giovanni Capranico, Molecular biology Department of Pharmacy & BioTechnology, University of Bologna (Italy).

 

  • ACS Dobfar, Tribbiano (Italia)
  • Chemservice srl, Milano (Italia)
  • 3VSigma, Bergamo (Italia)
Progetti attivi
  • 2020-2025 Project:”Targeting splicing abnormalities in cancer: Developing new splicing modulators for tissue-agnostic therapy”. (Founded by AIRC). Filippo Doria, Head of the Organic Chemistry unit.
  • 2021-2023 Project: “Novel bone specific pharmacological treatment for osteogenesis imperfecta” (Founded by NIH:1R21HD106607-01). Filippo Doria, Head of the Organic Chemistry unit.
Pubblicazioni Recenti.

Novel Therapeutic Horizons: SNCA Targeting in Parkinson’s Disease
A.M. Caramiello, *V. Pirota
Biomolecules 2024, 14(8), 949; doi: 10.3390/biom14080949

Structural Unfolding of G-Quadruplexes: From Small Molecules to Antisense Strategies;
G. Fracchioni, S. Vailati, M. Grazioli, *V. Pirota;
Molecules, 2024, 29, 3488, doi: 10.3390/molecules29153488 

Effective lowering of α-synuclein expression by targeting G-quadruplex structures within the SNCA gene
*Pirota, V.; Rey, F.; Esposito, L.; Fantini, V.; Pandini, C.; Gerlando, R.D.; Doria, F.; Mella, M.; Pansarasa, O.; Gandellini, P.; Freccero, M.; *Carelli, S.; Cereda, C.
Int. J. Biol. Macromol., 2024, 134417. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.134417

Structure–Activity Study on Substituted, Core-Extended, and Dyad Naphthalene Diimide G-Quadruplex Ligands Leading to Potent Antitrypanosomal Agents
Benassi, A., Peñalver, P., Pérez-Soto, M., Pirota, V., Freccero, M., *Morales, J.C., *Doria, F.
J. Med. Chem. 2024, 67, 13, 10643–10654, doi:10.1021/acs.jmedchem.4c00135

Naphthalene Diimide-Tetraazacycloalkane Conjugates Are G-Quadruplex-Based HIV-1 Inhibitors with a Dual Mode of Action;
Nadai, M., Doria, F., Frasson, I., Perrone R., Pirota V.,Bergamaschi G., *Freccero, M., *Richter, S.N.
ACS Infectious Diseases, 2024, 10(2), 489–499, doi:10.1021/acsinfecdis.3c00453

cRGD-Functionalized Silk Fibroin Nanoparticles: A Strategy for Cancer Treatment with a Potent Unselective Naphthalene Diimide Derivative;
V. Pirota, Bisbano G., *Serra M., Torre M. L., Doria F., *Bari E., *Paolillo M.
Cancers, 2023, 15(6), 1725, doi: 10.3390/cancers15061725

G-quadruplex DNA as a target in pathogenic bacteria: efficacy of an extended naphthalene diimide ligand and its mode of action;
R. Cebrián, E. Belmonte-Reche, V. Pirota, A. De Jong, J. C. Morales, M. Freccero, *F. Doria, *O. P. Kuipers;
JMedChem, 2022, 65, 6, 4752–4766. doi: 10.1021/acs.jmedchem.1c01905

Multimeric G-quadruplexes: A review on their biological roles and targeting.
frasson I, Pirota V, *Richter SN, *Doria F.
Int J Biol Macromol. 2022 doi: 10.1016/j.ijbiomac.2022.01.197.

G-Quadruplex DNA as a Target in Pathogenic Bacteria: Efficacy of an Extended Naphthalene Diimide Ligand and Its Mode of Action.
Cebrián R, Belmonte-Reche E, Pirota V, de Jong A, Morales JC, Freccero M, *Doria F, *Kuipers OP.
J Med Chem. 2022 doi: 10.1021/acs.jmedchem.1c01905.

Thiosugar naphthalene diimide conjugates: G-quadruplex ligands with antiparasitic and anticancer activity.
Belmonte-Reche E, Benassi A, Peñalver P, Cucchiarini A, Guédin A, Mergny JL, Rosu F, Gabelica V, Freccero M, *Doria F, *Morales JC.
Eur J Med Chem. 2022 doi: 10.1016/j.ejmech.2022.114183.

The Quest for the Right Trade-Off for an Efficient Photoclick Monitoring Reaction.
Benassi A., Pirota V., *Doria F., *Freccero M.,
ChemPhotoChem 2022, 6, e202100204.

Selective targeting of mutually exclusive DNA G-quadruplexes: HIV-1 LTR as paradigmatic model.
Tassinari M, Zuffo M, Nadai M, Pirota V, Sevilla Montalvo AC, Doria F, *Freccero M, *Richter SN.
Nucleic Acids Res. 2020 doi: 10.1093/nar/gkaa186.

A Catalytic and Selective Scissoring Molecular Tool for Quadruplex Nucleic Acids.
Nadai M, Doria F, Scalabrin M, Pirota V, Grande V, Bergamaschi G, Amendola V, Winnerdy FR, Phan AT, *Richter SN, *Freccero M.
J Am Chem Soc. 2018 doi: 10.1021/jacs.8b05337.