Syllabus del corso
Obiettivi
Affrontare lo studio della cellula come sistema complesso, la cui comprensione richiede un approccio multidisciplinare in cui le tecniche di biochimica e biologia cellulare e molecolare vengono integrate da metodologie bio-informatiche e di simulazione computazionale di modelli matematici.
Tale approccio consente di affrontare i processi biologi fondamentali in termini integrati, fornendo al ricercatore strumenti, non solo per mettere alla prova con rigore quantitativo le conoscenze acquisite, ma anche per modificare il comportamento dei sistemi cellulari in studio, ad esempio per:
(i)identificare, sviluppare ed ingegnerizzare microrganismi capaci di effettuare biotrasformazioni biotecnologiche innovative ed eco-compatibili;
(ii) sviluppare repliche in silico di singoli individui (Digital Twins) e identificare il trattamento farmacologico personalizzato più adatto per ogni singolo paziente.
- Conoscenza e capacità di comprensione.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà conoscere le possibilità offerte dalla integrazione delle tecnologie sperimentali anche post-genomiche e computazionali, tanto nell’ambito della ricerca di base che nella loro applicazione in ambito diagnostico e terapeutico o nelle biotrasformazioni biotecnologiche innovative. - Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite al punto 1 a problematiche scientifiche, metodologiche ed applicative diverse rispetto a quelle esplicitamente trattate a lezione - Autonomia di giudizio.
Lo studente dovrà essere in grado di rielaborare i principi e metodologie apprese, in primo luogo per consultare la letteratura così da aggiornare le proprie competenze prima che queste diventino obsolete ed in secondo luogo per identificarne gli ambiti privilegiati di utilizzo. - Abilità comunicative.
Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà esprimersi in modo appropriato in italiano (per studenti di madre lingua italiana) ed inglese (per tutti gli studenti) nella descrizione delle tematiche affrontate con proprietà di linguaggio e sicurezza di esposizione. - Capacità di apprendimento
Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà analizzare, applicare, integrare e collegare le conoscenze acquisite – e successivamente maturate con la consultazione della letteratura - con quanto appreso in insegnamenti correlati, al fine di risolvere problemi scientifici tanto nella biochimica di base che applicata.
Contenuti sintetici
La funzionalità delle (macro)molecole biologiche verrà analizzata nel contesto della interazione tra molecole. Saranno esaminati alcuni circuiti regolativi cellulari (ad esempio reti di trascrizione, reti metaboliche, crescita e ciclo cellulare) al fine di evidenziare alcune caratteristiche chiave dei circuiti regolativi cellulari, in termini conoscitivi ed applicativi. La maggior parte degli argomenti verrano trattati mediante analisi di specifici casi di studio. Uno o più dei casi di studio verranno trattati anche nel corso di Analisi, Controllo e Ottimizzazione dei Sistemi Biologici che fornirà un approfondimento complementare degli aspetti computazionali, modellistici, bioinformatici e sistemistici.
Programma esteso
I. Systems Biology: Introduzione e concetti di base.
Il concetto di sistema: le proprietà emergenti
Approcci top-down e bottom-up alla ricostruzione di un sistema biologico
Reti biologiche e loro proprietà (Robustezza, fragilità, essenzialità)
II. La systems metabolomics come paradigma e chiave interpretativa dei comportamenti cellulari
III. Il concetto di modulo: ricostruzione modulare ed interconnessione di modelli matematici a diversa risoluzione per ricostruire in modo esaustivo ed integrato tutte le funzionalità di una cellula
IV. Disassemblare e ricostruire la complessità inter- cellulare: scRNASeq ed analisi di immagine quantitativa ad alta processività
V. Biotrasformazioni, economia circolare e green economy
VI. Malattie multi-fattoriali: modelli cellulari avanzati e Digital Twins
Prerequisiti
Il corso si basa su concetti e metodologie esposte nei corsi di Biochimica e Biologia Molecolare di base. In particolare, è richiesta la conoscenza degli elementi di base della biochimica cellulare di procarioti ed eucarioti (metabolismo, trasduzione del segnale e ciclo cellulare) e della enzimologia. È apprezzata qualche conoscenza di base in ambito statistico
Modalità didattica
Lezioni frontali, Journal club e analisi interattiva approfondita di lavori scientifici selezionati
Materiale didattico
I concetti di base della Systems Biology sono presentati nel testo:
Lilia Alberghina: Per Comprendere la Complessità Biologica – Licosia Editore
Articoli specialistici e di rassegna e capitoli di libro verranno consigliati a lezione
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Non sono previsti compiti in itinere;
L'esame è orale e verificherà l'acquisizione dei concetti di base della biologia dei sistemi e della loro applicazione, con particolare attenzione all'integrazione di strumenti computazionali e sperimentali, anche mediante discussione approfondita di articoli specifici scelti in accordo con gli studenti prima dell’esame
Orario di ricevimento
Telefonico o previo appuntamento via mail
Sustainable Development Goals
Aims
Tackling the study of the cell as a complex system, whose understanding requires a multidisciplinary approach in which biochemistry and cellular and molecular biology techniques are integrated by bio-informatics and computational simulation of mathematical models.
This approach allows to address the fundamental biological processes in integrated terms, providing the researcher with tools, not only to test the acquired knowledge with quantitative rigor, but also to modify the behavior of the cellular systems under study, for example for:
(i)identify, develop and engineer microorganisms capable of carrying out innovative and eco-friendly biotechnological biotransformations;
(ii) develop in silico replicas of single individuals (Digital Twins) and identify the most suitable personalized drug treatment for each single patient
1. Knowledge and understanding. At the end of the course the student must know the possibilities offered by the integration of computational an experimental technologies (including post-genomic approaches) both in the context of basic research and in their application in diagnostic and therapeutic fields or in innovative biotechnological biotransformations.
2. Applying knowledge and understanding. At the end of the course the student must be able to apply the knowledge acquired in point 1 to scientific, methodological and application problems different from those explicitly dealt with in class
3. Making judgment. The student must be able to re-elaborate the principles and methodologies learned, firstly to analysis of the literature, in order to update his / her skills before they become obsolete, and secondly to identify the privileged areas of use.
4. Communication skills. At the end of the course the student will be able to express himself appropriately in Italian (for students of Italian mother tongue) and English (for all students) in the description of the topics addressed with proper language.
5. Learning skills At the end of the course the student will be able to analyze, apply, integrate and connect the knowledge acquired –in the lectures and subsequently gained through the consultation of the literature - with what he/she has learned in related teachings, in order to solve scientific problems both in basic and applied biochemistry.
Contents
The functionality of (macro) biological molecules will be analyzed in the context of the interaction between molecules. Some cellular regulatory circuits (for instance transcriptional and metabolic networks, growth and cell cycle) will be examined in order to highlight some key characteristics of cellular regulatory circuits, in cognitive and applicative terms. Most topics will be analyzed through multidisciplinary analysis of specific case studies. One or more of the case studies will also be anlyzed in the course Analisi, Controllo e Ottimizzazione dei Sistemi Biologici with a complementary computational, modeling, bioformatic and systemic perspective
Detailed program
I. Systems Biology; Introduction and basic concepts
The concept of system: emerging properties
Top-down and bottom-up approaches to computational reconstruction od biological system
Biological networks and their properties (Robustness, fragility, essentiality)
II. Systems metabolomics as a paradigm and interpretative key of cell behaviors
III. The concept of module: modular reconstruction and interconnection of mathematical models with different resolution to comprehensively and integratively reconstruct all functions of a cell
IV. Disassemble and reconstruct inter-cellular complexity: scRNASeq and quantitative high processivity image analysis
V. Biotransformations, circular economy and green economy
VI. Multifactorial diseases: advanced cellular models and Digital Twins
Prerequisites
The course is based on concepts and methodologies exposed in the basic Biochemistry and Molecular Biology courses. In particular, knowledge of the basic elements of prokaryotic and eukaryotic cell biochemistry (metabolism, signal transduction and cell cycle) and enzymology is required. Some basic statistical knowledge is appreciated
Teaching form
Lectures, Journal club and in-depth interactive analysis of selected scientific papewrs
Textbook and teaching resource
Basic concepts of System Biology are presentyed in :
Lilia Alberghina: Per Comprendere la Complessità Biologica – Licosia Editore
Original research, review articles and book chapters will be suggested in class
Semester
Second semester
Assessment method
There are no exams in itinere; The exam is oral and will verify the acquisition of the basic concepts of systems biology and their application, with particular attention to the integration of computational and experimental tools, also through in-depth discussion of specific articles chosen in agreement with the students before the exam
Office hours
By telephone or e-mail appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Marco Ercole Vanoni
