CRESCO LAII Sviluppo di tecnologie e modelli computazionali per la descrizione di sistemi complessi di origine biologica e di materiali innovativi Vittorio Rosato, C.R. ENEA Casaccia

LiLi ENEA Università ed Enti di ricerca Imprese Schema concettuale dei Laboratori Virtuali di CRESCO inseriti nell’infrastruttura ENEA-GRID

LA 2LA 3 LA 1 MaterialsBiotechC.S. Analysis Control CIs ……. ENEA CETMA YLICHRON ENEA PSTS CNR Avellino Agraria, Uni-Na ENEA YLICHRON Uni-CT …… Infrastructures GRID Software Visualization …….. Micro Macro

Frazier et al., Science 300 (2003) 290

Sistemi tecnologici componenti Modelli di sistemi Macro-sistemi Sistemi di sistemi interdipendenti

Il paradigma dei Sistemi Complessi pervade molte aree scientifiche. Molti sistemi biologici, tecnologici, virtuali mostrano interessanti similitudini (forme e meccanismi di aggregazione, proprietà di sincronizzazione, fenomeni critici); queste analogie hanno consentito lo sviluppo di una nuova disciplina scientifica che va sotto in nome di “Complexity Science”. La Linea di Attività II del progetto CRESCO intende esplorare, in particolare, alcuni ambiti dei sistemi biologici e di taluni sistemi tecnologici, allo scopo di mutuare, dai primi, idee e strategie per la gestione dei secondi. Il focus della LAII sarà dunque sulla ricerca di “biomimeticità” ovvero della possibilità di individuare, all’interno dei sistemi biologici, strategie operative per una migliore gestione e controllo dei sistemi tecnologici di interesse per la LAIII (le Infrastrutture Critiche) Come ulteriore ambito di attività, la LAII consoliderà l’utilizzo di strumenti di calcolo ad alte prestazioni e della GRID ENEA in aree quali la progettazione di nanosistemi e di nuovi materiali.

Partners: - Parco Scientifico e Tecnologico della Sicilia (PSTS) - Consorzio CETMA

SP II.1 Progettazione di un database per lo studio di reti metaboliche di batteri del genere Pseudomonas Grazia LicciardelloParco Scientifico e Tecnologico della Sicilia Vittoria CataraDip.to di Agraria, Università di Catania Giuseppe ApreaC.R. ENEA Portici Anshuma MangtaniIndian Institute of Technology, Guwahati, India (borsista ENEA) Vittorio RosatoC.R. ENEA Casaccia In collaborazione con E-Cell groupKeio University (Giappone)

Obiettivo 1 Realizzazione di un database per lo studio dei geni e delle proteine coinvolte nella sintesi dei polialcanoati (PHA) nei batteri della specie Pseudomonas Fasi di studio  Acquisizione dati da differenti database.  Progettazione del sito e definizione dell’ontologia da utilizzare.  Implementazione del sito e dei dati. Partner Parco Scientifico e Tecnologico della Sicilia (PSTS) Dip.to di Scienze e Tecnologie Fitosanitarie, Università di Catania

Obiettivo 2 Modellizzazione del path metabolico di produzione del PHA nelle Pseudomonas Fasi di studio  Acquisizione dei dati del pathway biochimico, delle specie biomolecolari coinvolte e delle costanti cinetiche delle reazioni.  Definizione delle classi di reazioni biochimiche coinvolte.  Descrizione della rete in termini di un linguaggio XML-like (eml).  Integrazione dei dati all’interno del tool E-Cell.  Ricerca dei parametri cinetici mancanti attraverso un modello di “reverse engineering” basato sull’utilizzo di algoritmi genetici paralleli (vedi poster) Partner Parco Scientifico e Tecnologico della Sicilia (PSTS) Dip.to di Scienze e Tecnologie Fitosanitarie, Università di Catania E-Cell group, Keio University (Giappone)

PHA (polialcanoate) metabolic pathway (in Pseudomonas) E-Cell : tool per la simulazione numerica di modelli di reti biochimiche

SP II.2 Sviluppo di modelli numerici per analisi strutturali complesse e processi di sinterizzazione Danilo BardaroCETMA Pasquale BeneCETMA Orazio ManniCETMA Claudio Maruccio CETMA Silvio PappadàCETMA Rocco RamettaCETMA

Obiettivi 1.integrare il CETMA Virtual Reality Center (CVRC) in Brindisi con la GRID ENEA 2.studiare il comportamento strutturale di materiali compositi basati sull’utilizzo di Shape Memory Alloys (SMA) (leghe a memoria di forma) 3.comprendere, attraverso modelli di simulazione, il comportamento meccanico di componenti ceramici durante il processo di sinterizzazione Partner CETMA (Brindisi)

Obiettivo 1 Possibilità di utilizzare il CVR del CETMA all’interno della GRID ENEA Vantaggi: Per GRID ENEA la Possibilità di effettuare post-processing attraverso l’utilizzo del CVR Per CETMA: la possibilità di utilizzare le grandi infrastrutture di calcolo della GRID ENEA per la simulazione di sistemi complessi. Riduzione dei tempi di calcolo per un modello CFD 3D in funzione del numero dei processori Possibilità grafiche avanzate offerte da CVR

Risultati di simulazioni numeriche su prototipi ibridi: deflessione a differenti temperatura Caratterizzazione dinamica a impatto di sistemi ibridi (Charpy) Obiettivo 2 Studio del comportamento strutturale di materiali ibridizzati con leghe a memoria di forma (SMA) I materiali compositi ibridizzati con SMA sono caratterizzati da un comportamento complesso legato alla trasformazione martensitica delle SMA. Tale comportamento dipende del livello di stress, dalla temperatura ed dalla storia del carico a cui il sistema è stato sottoposto. Le attività sono: -studio dei principali modelli e la loro implementazione all’interno di codici ad Elementi Finiti (FE) -realizzazione di prototipi ibridi di geometria semplice e loro caratterizzazione sperimentale -simulazione di strutture ibride complesse

Obiettivo 3 Sviluppo di modelli numerici per la simulazione di componenti ceramici durante la sinterizzazione Attività -Caratterizzazione sperimentale del comportamento del materiale -Sviluppo di modelli numerici accurati per la simulazione del processo di sinterizzazione -Simulazione del processo di sinterizzazione di manufatti ceramici di geometria complessa Caratterizzazione sperimentale e modellazione numerica di geometrie semplici: test di flessione Simulazione del processo di sinterizzazione di geometrie complesse per la progettazione degli stampi

SP II.3 Modelling molecolare Massimo CelinoENEA C.R. Casaccia Giulio GianeseYlichron S.r.l. Roma Michele GussoENEA C.R. Brindisi Piero MoralesENEA C.R. Casaccia Vittorio RosatoENEA C.R. Casaccia

Obiettivo 1 Studio di materiali del tipo MgH 2 per lo storage di idrogeno. Fasi di studio  Caratterizzazione superfici libere di MgH 2 e Mg  Costruzione di una interfaccia MgH 2 -Mg  Studio desorbimento dell’idrogeno dall’interfaccia in funzione della temperatura  Caratterizzazione dell’interfaccia dopo il desorbimento

Studio della diffusione dell’idrogeno all’interfaccia in funzione della temperatura Costruzione di una interfaccia MgH 2 -Mg

Obiettivo 2 Ingegnerizzazione del legame tra un peptide ed una superficie covalente. Fasi di studio  Definizione della sequenza di un peptide con specifiche proprietà funzionali  Struttra tri-dimensionale del peptide (folding in soluzione)  Docking rigido del peptide sul substrato (SWNT, graphene sheet)  Rilassamento a temperature finite del peptide sul substrato  Valutazione con tecniche di DM ab-initio delle proprietà di struttura elettronica del sistema peptide-substrato. Partner Ylichron S.r.l. Roma

Docking di un peptide su un layer di grafite Docking di un peptide su un nanotubo (SWNT)

Conclusioni Messa a regime delle collaborazioni e delle attività di ricerca Funzionalizzazione della piattaforma di calcolo con i codici di riferimento dei vari ambiti applicativi Apertura di nuove collaborazioni Facoltà di Agraria, UniNapoli “Federico II” (prof.ssa Chiusano) (bioinformatica e Systems Biology) CNR, Ist. Scienze dell’Alimentazione, Avellino (dr. Facchiano) (modelling molecolare) ….. Progetti sulle strategie “biomimetiche” Apertura di nuove funzionalità (mirroring di siti, tool SW in modalità ASP..)