Course Syllabus
Obiettivi
L'insegnamento di Elementi di Biofotonica si prefigge di avvicinare lo studente alle principali tecniche spettroscopiche di indagine dei biosistemi principalmente nell'intervallo UV-VIS dello spettro elettromagnetico, con un cenno ai raggi X.
Lo studente verrà a conoscenza delle caratteristiche delle principali macromolecole biologiche. Comprenderà i principi di utilizzo delle varie tecniche di indagine sia a livello teorico sia a livello sperimentale e sarà in grado di capire quale tipo di informazioni si possono ottenere dalle varie tecniche per applicazioni nel campo della biofisica e della nanomedicina.
Contenuti sintetici
Principali caratteristiche delle macromolecole biologiche
Cenni di termodinamica per applicazioni biologiche
Spettroscopia UV-VIS in risonanza e fuori risonanza, cenni di microscopia di fluorescenza
Nanosistemi per applicazioni biomediche
Introduzione all'imaging biologico a 3D con raggi X: dall'in-vitro all'in-vivo.
Programma esteso
I protagonisti: proteine, acidi nucleici, cellule, cromofori, nanomateriali. Strutture e interazioni.
Cenni di termodinamica: Energia libera di Gibbs e Helmholtz. Potenziale chimico e legge di azione di massa. Energia e cinetiche di legame. Effetti di cooperatività. Il processo di folding e unfolding
Tecniche spettroscopiche
Spettroscopia di assorbimento. Legge di Beer-Lambert. Coefficienti di assorbimento. Effetti di interazione fra cromofori. Spettri caratteristici di proteine (alfa-eliche, beta-sheet e random coil) e DNA. Effetti di conformazione.
Dicroismo circolare. Principi fisici Spettri caratteristici di proteine (alfa-eliche, beta-sheet e random coil) e DNA. Effetti di conformazione.
Spettroscopia di fluorescenza. Coefficiente di emissione spontanea. Definizione di resa quantica, tempo di vita di stato eccitato. Spettri di eccitazione ed emissione. Dipendenza dalla concentrazione del fluoroforo. La fluorescenza intrinseca nelle biomolecole. Le principali sonde fluorescenti. La classe delle “Fluorescent Proteins (GFP etc.)”.
Meccanismi di smorzamento della fluorescenza I: quenching collisionale di Stern-Volmer, quenching statico e loro applicazione alle biomolecole.
Meccanismi di smorzamento della fluorescenza II: il fenomeno del trasferimento energetico risonante alla Foerster. Teoria e applicazioni.
Effetti di solvente sulla fluorescenza: effetti di “bulk”, equazione di Lippert-Mataga.
Diffusione di luce quasi elastica e cenni di idrodinamica. Esempi di applicazione alle biomolecole, determinazione delle dimensioni molecolari e studio di fenomeni di aggregazione.
Cenni di microscopia ottica confocale e con eccitazione a due fotoni. Schema di un tipico microscopio. Acquisizione di immagini. Applicazioni in campo biofisico (cellule, piccoli organismi, applicazioni in vivo)
Nanoparticelle multifunzionali per applicazioni biomediche: interazione con la radiazione, meccanismi di targeting e internalizzazione cellulare, effetti termici in campo medico.
Introduzione all'imaging biologico a 3D con raggi X: dall'in-vitro all'in-vivo.
Prerequisiti
Conoscenza della fisica insegnata nei corsi di Fisica dei primi due anni della Laurea Triennale in Fisica.
Modalità didattica
Lezioni frontali con slides, poi caricate sul sito elearning del corso, insieme ad articoli per approfondimenti su argomenti specifici.
Materiale didattico
Slides caricate sul sito elearning.
Articoli di esempio per approfondimenti caricati sul sito elearning.
Testo di riferimento del corso:
1. Webb, Andrew; “Introduction to biomedical imaging”
2. Cantor, Charles R.; Schimmel, Paul R.; "Biophysical chemistry” [Comprende: The conformation of biological macromolecules 1 Techniques for the study of biological structure and function 2 The behavior of biological macromolecules 3]
Capitoli di altri libri sono indicati sulle slides e caricati sul sito elearning.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale che consiste in:
- breve presentazione di un articolo pubblicato su rivista scientifica riguardante argomenti inerenti al corso (articolo selezionati su diversi argomenti sono caricati nella pagina e-learning ma anche una scelta personale puo' essere fatta)
- in alternativa al punto 1, approfondimento di un argomento a piacere tra quelli trattati durante il corso,
- domande sugli altri argomenti trattati durante il corso
NB La parte 1 o 2 contribuisce con un peso minore alla valutazione finale dello studente
Orario di ricevimento
Sempre, previo appuntamento.
Aims
The course "Elements of Biophotonics" has the purpose to introduce the student to the main spectroscopic techniques for investigating biosystems mainly n the UV-.VIS range of the electromagnetic spectrum with a mention to X rays.
The student will learn some features of the most popular biological macromolecules. The principles of the different techniques of investigation will be introduced either from a theoretical and from experimental point of view. The student will be able to understand which kind of information is available by the different techniques when applied to biophysics and nanomedicine.
Contents
Main featrures of the biological macromolecules
Topics about the thermodynamics for biological applications
UV-VIS spectroscopy, in resonance and out-of-resonance mode, elements on fluorescence microscopy
Nanosystems for biomedical applications
Introduction to 3D biological imaging with X rays: from in-vitro to in-vivo.
Detailed program
The players: proteins, nucleic acids, cells, chromophores, nanomaterials. Structures and interactions.
Thermodynamics: Gibbs and Helmholtz free energy. Chemical potential, mass action law. Energy and binding kinetics. Cooperativity effects. The folding-unfolding process-
Spectroscopic Techniques.
Absorption spectroscopy. The Beer-Lambert law. Absorption coefficients. Effects of interaction among chromophores. Characteristic spectra of proteins (alpha helix, beta-sheets, random coils) and DNA. Conformational effects.
Circular dichroism. Principles of CD. Characteristic spectra of proteins (alpha helix, beta-sheets, random coils) and DNA. Conformational effects.
Fluorescence spectroscopy. Spontaneous emission coefficient. Definition of quantum yield, excited state lifetime. Excitation and emission spectra. Dependence from the fluorophore concentration. The intrinsic fluorescence of biomolecules. The most popular fluorescent probes. The class of “Fluorescent Proteins (GFP)”
Mechanisms of fluorescent quenching I: collisional quenching by Stern-Volmer, static quenching and their application to biomolecules.
Mechanisms of fluorescent quenching II: the fluorescent energy transfer mechanism via Foerster theory. Applications.
Solvent effects of fluorescence: bulk effects, Lippert-Mataga equation.
Quasi-elastic light scattering and elements of hydrodynamics. Some applications to biomolecules, molecular size characterization and aggregation studies.
Elements of optical microscopy, confocal and non-linear excitation. Typical microscope setups. Image acquisition. Applications in biophysics (to cells, small organisms, in vivo applications)
Multifunctional nanoparticles for biomedical applications and their interaction with radiation. Targeting mechanisms and cell internalization. Thermal effects in the medical field.
Introduction to 3D biological imaging with X rays: from in-vitro to in-vivo.
Prerequisites
Knowledge of the physics topics acquired in the courses of the first two years of the Bachelor degree in Physics course.
Teaching form
Lessons on classroom with slides. The slides are available on the e-learning platform, together with selected papers to specific topics.
Textbook and teaching resource
Slides loaded on the elearning platform.
Selected papers for further infortmation
Reference textbooks::
1. Webb, Andrew; “Introduction to biomedical imaging”
2. Cantor, Charles R.; Schimmel, Paul R.; "Biophysical chemistry” [Comprende: The conformation of biological macromolecules 1 Techniques for the study of biological structure and function 2 The behavior of biological macromolecules 3]
When needed,new materials is made available and loaded on the e-learning platform.
Semester
I semester
Assessment method
the exam is oral and it will consist in:
- Brief presentation of a paper published on a scientific journal related to a topic of the course (selected papers are available to the students or it can be chosen independently).
- As an alternative, a deep insight of a topic of the course can be chosen
- Open questions of different topics of the course.
NB Part 1 or 2 has a lower weight in the final evaluation of the student.
Office hours
Always by appointment.