Syllabus del corso
Obiettivi
L'insegnamento si propone di approfondire le caratteristiche strutturali delle macromolecole biologiche (proteine e acidi nucleici), di presentare le principali metodologie biofisiche adottate per la loro investigazione, e di introdurre alcune applicazioni in diversi ambiti biotecnologici. Particolare enfasi verrà posta nell’integrazione delle informazioni strutturali ricavabili con i diversi approcci, e nelle implicazioni funzionali che tali proprietà hanno in sistemi con diverso livello di complessità.
Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine dell’insegnamento lo studente conoscerà le principali tecniche impiegate per lo studio strutturale delle macromolecole, i principi su cui esse si basano e le informazioni che possono fornire sui sistemi oggetto di studio. Saprà altresì individuare i determinanti strutturali alla base di particolari funzioni biologiche ed interpretare gli effetti derivanti da una loro alterazione (mutazioni, interazioni con ligandi, effetti ambientali etc.).
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine dell’insegnamento lo studente saprà interpretare i risultati sperimentali derivanti dalle metodologie affrontate durante il corso, ricavando informazioni strutturali sulle macromolecole in analisi ed implicazioni funzionali derivanti da tali risultati. Saprà inoltre valutare le conseguenze di tali proprietà in diversi ambiti applicativi (medico/patologico, design & delivery di farmaci, ingegnerizzazione di proteine per scopi industriali, etc.).
Autonomia di giudizio
Al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di scegliere gli approcci metodologici più idonei per determinare e modificare specifiche proprietà strutturali di macromolecole, e di integrare risultati derivanti da più tecniche per ottenere informazioni più complete. Sarà anche in grado di giudicare in modo critico i risultati presentati in pubblicazioni scientifiche su tali argomenti.
Abilità comunicative
Al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di esporre con idonea terminologia le proprietà strutturali di macromolecole, nonché di comunicare con opportuno linguaggio scientifico i concetti appresi sulle metodologie di investigazione, e di riferire il contenuto di articoli scientifici da riviste ad alto impact factor. Saprà inoltre discutere in modo efficace ed approfondito di tematiche complesse legate agli argomenti trattati, anche in ambiti applicativi differenti da quelli affrontati nel corso.
Capacità di apprendimento
Al termine dell'insegnamento lo studente disporrà delle conoscenze e degli strumenti necessari per saper estendere in autonomia le nozioni acquisite durante il corso alla trattazione di problematiche affini a quelle affrontate, quali l’utilizzo di strategie più avanzate per l’indagine strutturale o la loro applicazione in contesti più complessi (e.g. tecniche “omiche” strutturali).
Contenuti sintetici
- Caratteristiche strutturali delle macromolecole biologiche
- Metodi sperimentali per la determinazione di un modello strutturale
- Proprietà dinamiche di macromolecole biologiche
- Interazioni macromolecolari e complessi non-covalenti
- Cenni a metodi di biologia strutturale integrata
- Applicazioni nelle biotecnologie industriali
Programma esteso
- Richiami di biologia strutturale. Livelli e motivi strutturali di macromolecole, domini. Banche dati e classificazioni strutturali (CATH, SCOP, FSSP, etc.).
- Metodi per la determinazione ad alta risoluzione della struttura tridimensionale. Cristallografia a raggi X e microscopia crioelettronica: teoria della diffrazione, acquisizione dei dati, costruzione del modello e validazione. Spettroscopia NMR: richiami teorici (HSQC, COSY, TOCSY e NOESY), spettri 3D per la risoluzione di strutture proteiche, NMR allo stato solido.
- Metodi sperimentali a bassa risoluzione. Diffusione a piccolo angolo di raggi X (SAXS) e di neutroni (SANS). Proprietà conformazionali tramite spettrometria di massa nativa e mobilità ionica. Metodi di marcatura covalente (FPOP e cross-linking) per la determinazione del modello strutturale.
- Proprietà dinamiche di macromolecole. Ensemble conformazionali eterogenei, interconversione tra stati. Esempi di sistemi dinamici (motori molecolari, proteine intrinsecamente disordinate, etc.) e di approcci metodologici per la loro investigazione.
- Complessi macromolecolari. Interazioni proteina-proteina, proteina-DNA e proteina-ligando. Esempi di complessi non-covalenti (recettori di membrana, ribosomi, etc.) e di approcci metodologici per la loro investigazione.
- Cenni di biologia strutturale integrata. Strategie di integrazione di dati provenienti da metodologie distinte per la caratterizzazione strutturale di macromolecole.
- Applicazioni biotecnologiche. Determinanti strutturali di patologie, malattie da misfolding, aggregazione amiloide. Mappatura di epitopi, coniugazione di anticorpi, disegno razionale e delivery di farmaci. Biosensori, immobilizzazione ed ingegnerizzazione di enzimi, utilizzo di macromolecole in bioprocessi e biomateriali (etc.).
Prerequisiti
Prerequisiti. Le nozioni fondamentali di un corso di biochimica di base.
Propedeuticità. Nessuna.
Modalità didattica
Lezioni frontali in aula, supportate dall’utilizzo di diapositive elettroniche. È prevista sia una trattazione tecnica delle diverse metodologie che la discussione di esempi e “case studies” tratti da diversi ambiti, quali l’ingegneria proteica, la biofarmaceutica e le scienze mediche. L’utilizzo di alcuni software e web server saranno parte integrante del corso.
L'insegnamento è tenuto in lingua italiana.
Materiale didattico
Diapositive. Disponibili sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Dispense. Disponibili sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Articoli scientifici. Disponibili sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Eventuali libri di testo specifici (o parti di essi) verranno consigliati per i diversi argomenti trattati.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame consiste in un colloquio di 20-30 minuti che prevede la discussione delle tematiche trattate a lezione, anche prendendo spunto da risultati sperimentali presentati dal docente. La valutazione riguarderà sia il livello di conoscenza degli argomenti che la capacità di analizzare e commentare risultati specifici.
Orario di ricevimento
Ricevimento su appuntamento tramite richiesta via email al docente.
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to deepen the structural characteristics of biological macromolecules (proteins and nucleic acids), to present the main biophysical methodologies adopted for their investigation, and to introduce some applications in different biotechnological fields. Particular emphasis will be placed on the integration of structural information obtainable with the different approaches, and on the functional implications that these properties have in systems with different levels of complexity.
Knowledge and understanding skills
At the end of the course, the student will know the main techniques used for the structural study of macromolecules, the principles on which they are based and the information they can provide on the systems being studied. He will also be able to identify the structural determinants underlying particular biological functions and interpret the effects deriving from their alteration (mutations, interactions with ligands, environmental effects, etc.).
Ability to apply knowledge and understanding
At the end of the course, the student will be able to interpret the experimental results deriving from the methodologies addressed during the course, obtaining structural information on the macromolecules under analysis and functional implications deriving from these results. He will also be able to evaluate the consequences of these properties in various application fields (medical / pathological, drug design & delivery, protein engineering for industrial purposes, etc.).
Making judgments
At the end of the course, the student will be able to choose the most suitable methodological approaches to determine and modify specific structural properties of macromolecules, and to integrate results deriving from multiple techniques to obtain more complete information. He will also be able to critically judge the results presented in scientific publications on these topics.
Communication skills
At the end of the course, the student will be able to expose the structural properties of macromolecules with suitable terminology, as well as to communicate the concepts learned on investigation methodologies with appropriate scientific language, and to report the content of scientific articles from high impact factor journals. He will also be able to discuss in an effective and in-depth way complex issues related to the topics covered, even in application areas other than those addressed in the course.
Learning skills
At the end of the course, the student will have the knowledge and tools necessary to be able to autonomously extend the notions acquired during the course to the treatment of problems similar to those faced, such as the use of more advanced strategies for structural investigation or their application in more complex contexts (e.g. structural "omics" techniques).
Contents
- Structural characteristics of biological macromolecules
- Experimental methods for the determination of a structural model
- Dynamic properties of biological macromolecules
- Macromolecular interactions and non-covalent complexes
- Outline of integrated structural biology methods
- Applications in industrial biotechnology
Detailed program
- Elements of structural biology. Structural levels and motifs of macromolecules, domains. Structural databases and classifications (CATH, SCOP, FSSP, etc.).
- Methods for high-resolution determination of the three-dimensional structure. X-ray crystallography and cryo-electron microscopy: diffraction theory, data acquisition, model construction and validation. NMR spectroscopy: theoretical recalls (HSQC, COSY, TOCSY and NOESY), 3D spectra for the resolution of protein structures, solid state NMR.
- Low-resolution experimental methods. Small-angle scattering of X-rays (SAXS) and neutrons (SANS). Conformational properties by native mass spectrometry and ion mobility. Covalent labeling methods (FPOP and cross-linking) for the determination of the structural model.
- Dynamic properties of macromolecules. Heterogeneous conformational ensembles, interconversion between states. Examples of dynamic systems (molecular motors, intrinsically disordered proteins, etc.) and methodological approaches for their investigation.
- Macromolecular complexes. Protein-protein, protein-DNA and protein-ligand interactions. Examples of non-covalent complexes (membrane receptors, ribosomes, etc.) and methodological approaches for their investigation.
- Elements of integrated structural biology. Integration strategies of data from distinct methodologies for the structural characterization of macromolecules.
- Biotechnological applications. Structural determinants of pathologies, misfolding diseases, amyloid aggregation. Epitope mapping, antibody conjugation, rational design and drug delivery. Biosensors, immobilization and engineering of enzymes, use of macromolecules in bioprocesses and biomaterials (etc.).
Prerequisites
Background. The fundamental notions of a basic biochemistry course.
Prerequisites. None.
Teaching form
Lectures in the classroom, supported by the use of electronic slides. There will be both a technical discussion of the different methodologies and the discussion of examples and "case studies" taken from various fields, such as protein engineering, biopharmaceuticals and medical sciences. The use of some software and web servers will be an integral part of the course.
Teaching language: Italian.
Textbook and teaching resource
Slides. Available on the teaching e-learning platform.
Handouts. Available on the teaching e-learning platform.
Scientific articles. Available on the teaching e-learning platform.
Any specific textbooks (or parts of them) will be recommended for the different topics covered.
Semester
Second semester.
Assessment method
The exam is an oral interview of 20-30 minutes, which consists in the discussion of the topics covered in class and can include the comment of experimental results presented by the lecturer. The evaluation will cover both the level of knowledge of the topics and the ability to analyze and comment on specific results.
Office hours
Contact: on demand by email request to the lecturer.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Carlo Santambrogio
