Course Syllabus
Obiettivi
L'insegnamento si propone di fornire le conoscenze di base sui principali metodi spettroscopici e di microscopia per la caratterizzazione delle proprietà strutturali e/o morfologiche dei sistemi biologici, dalle biomacromolecole alle cellule intatte e ai tessuti.
Conoscenza e capacità di comprensione.
Lo studente dovrà conoscere i principali metodi spettroscopici e microscopici utilizzati in ambito biotecnologico. La conoscenza dei principi di base renderà lo studente in grado di comprendere anche alcuni aspetti più avanzati di tali metodiche.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Lo studente dovrà conoscere le potenzialità applicative della spettroscopia e della microscopia in diversi settori delle biotecnologie, dallo studio delle biomolecole isolate a quello di cellule intatte e tessuti.
Autonomia di giudizio.
Al termine dell’insegnamento lo studente avrà acquisito la capacità di: (i) leggere criticamente lavori scientifici dove vengono presentati risultati ottenuti con i metodi presentati a lezione; (ii) scegliere il metodo spettroscopico e di microscopia più adatto allo studio di uno specifico campione biologico, tenendo in considerazione le peculiarità del tipo di campione e lo scopo dell’attività di ricerca; (iii) interpretare i dati sperimentali ottenuti con i diversi metodi affrontati nell'insegnamento.
Abilità comunicative.
Alla fine dell'insegnamento lo studente avrà acquisito la capacità di descrivere i risultati derivanti dall’utilizzo dei metodi oggetto di studio con proprietà di linguaggio.
Capacità di apprendimento.
Alla fine dell'insegnamento lo studente avrà acquisito le conoscenze di base utili alla comprensione di approcci spettroscopici e microscopi più avanzati, oppure rivolti ad applicazioni innovative anche se non espressamente trattate a lezione.
Contenuti sintetici
Nell'insegnamento saranno illustrati i principali metodi spettroscopici e di microscopia per la caratterizzazione delle proprietà strutturali e/o morfologiche di sistemi biologici, dalle biomacromolecole, alle cellule intatte e ai tessuti. Gli approcci spettroscopici e di microscopia verranno illustrati attraverso esempi applicativi di interesse biotecnologico, biomedico e biochimico. Ampio spazio verrà dato alla discussione degli aspetti pratici e all’interpretazione dei dati sperimentali attraverso l'analisi di articoli scientifici originali.
L'insegnamento prevede 10 ore di attività sperimentale con l'utilizzo di metodi avanzati di spettroscopia. In particolare verranno eseguiti studi sulle proprietà conformazionali e sulle interazioni di proteine attraverso spettroscopia di dicroismo circolare, spettroscopia infrarossa e di fluorescenza.
Programma esteso
Capitolo 1: spettroscopia e sue applicazioni biologiche.
Generalità sulle onde elettromagnetiche e sull’interazione radiazione–materia.
Assorbimento UV-visibile delle biomolecole. Dicroismo circolare.
Principi generali della fluorescenza. Fluorescenza di proteine e sonde fluorescenti. Quencing, trasferimento di energia alla Förster (FRET) e anisotropia di fluorescenza. Spettroscopia Raman e di assorbimento infrarosso di biosistemi.
Verranno presentati esempi applicativi sull’analisi di biomacromolecole e di bioprocessi in vitro e in vivo. Particolare rilevanza verrà data allo studio del ripiegamento, della stabilità e dell’aggregazione di proteine di interesse biotecnologico (corpi di inclusione e biofarmaci) e biomedico. In quest’ultimo caso, rilevanza verrà data all’analisi dell’aggregazione amiloide in malattie neurodegenerative e amiloidosi sistemiche sia in provetta che in situ. Verrà affrontato lo studio della relazione tra struttura, funzione e tossicità di proteine e aggregati proteici. Verranno discusse in dettaglio le informazioni che gli approcci spettroscopici possono fornire sull’interazione tra proteine e altri elementi (metalli, lipidi, ect.) coinvolti nello sviluppo dell’amiloide.
Nell’ambito delle biotecnologie industriali verranno discussi esempi applicativi dei diversi approcci spettroscopici per il monitoraggio di reazioni enzimatiche in vitro e per la caratterizzazione di bioprocessi in situ (per esempio, l’accumulo di lipidi in lieviti oleaginosi per la produzione di biocarburanti).
Verranno, inoltre, mostrati esempi di analisi delle interazioni biomolecolari (es. interazione proteina-ligando e proteina-nanoparticella) e di caratterizzazione di biomateriali (es. scaffold per ingegneria tissutale).
Capitolo 2: microscopia.
Generalità sulla microscopia ottica convenzionale, a fluorescenza, confocale a scansione laser, a due fotoni, microscopia ad alta risoluzione spaziale (STED, stimulation emission depletion) e descrizione delle principali sonde fluorescenti utilizzate in ambito cellulare e biomolecolare.
Verranno presentate anche la microscopia elettronica (TEM, SEM e Cryo-EM), la microscopia a forza atomica, la microspettroscopia e la nanospettroscopia.
Per illustrare le potenzialità di questi approcci, verranno discussi lavori applicativi sulla caratterizzazione di complessi macromolecolari, cellule, strutture e sensori intracellulari, e tessuti.
Capitolo 3: Attività in laboratorio.
Cambiamenti conformazionali e aggregazione di proteine studiati attraverso spettroscopia di dicroismo circolare e spettroscopia nell’infrarosso.
Interazioni biomolecolari studiate attraverso spettroscopia di dicroismo circolare e di fluorescenza.
L’attività sperimentale prevedete la preparazione dei campioni, la raccolta dei dati spettroscopici e la loro successiva analisi.
Prerequisiti
Prerequisiti: Conoscenze di base di biochimica.
Propedeuticità specifiche: Nessuna.
Propedeuticità generali: Lo studente può sostenere gli esami del terzo anno dopo aver superato tutti gli esami del primo anno di corso
Modalità didattica
Lezioni frontali supportate da presentazioni PowerPoint.
Attività sperimantale in laboratorio.
Discussioni interattive con gli studenti sull’interpretazione di dati sperimentali forniti da docente, raccolti durante il laboratorio e ottenuti da articoli scientifici originali.
L'insegnamento è tenuto in lingua italiana.
Materiale didattico
Il materiale presentato durante le lezioni (slide e articoli scientifici discussi in classe) è disponibile alla pagina e-learning dell'insegnamento.
Le lezioni verranno videoregistrate e rese disponibili sulla pagina e-learning dell’insegnamento.
Libri di testo suggeriti:
Dagmar Klostermeier, Markus G. Rudolph, Biophysical Chemistry
CRC Press; December 19, 2017. Prestabile come e-book presso la biblioteca di Ateneo.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale.
L'esame consiste di tre parti:
-(50% del voto finale) interpretazione dei dati sperimentali di un articolo scientifico;
-(30 % del voto finale) verifica delle conoscenze di base relative ad almeno due metodi spettroscopici tra quelli presentati;
-(20% del voto finale) verifica delle conoscenze di base relative a uno dei metodi di microscopia tra quelli presentati.
Orario di ricevimento
Ricevimento: su appuntamento, previa e-mail al docente.
Sustainable Development Goals
Aims
The goal of the course is to provide basic knowledge on the main spectroscopic and microscopic approaches for the characterization of the structural properties and/or the morphology of biological systems, from biomacromolecules to intact cells and tissues.
Knowledge and understanding.
After completion of the course, the student will gain knowledge of the main spectroscopic and microscopic approaches of relevance in the biotechnology field.
Applying knowledge and understanding.
After completion of the course, the student will gain knowledge of the potential applications of the presented methods in different areas, from the characterization of isolated biomolecules to that of intact cells and tissues.
Making judgements.
After completion of the course, the student will be able: (i) to read and understand scientific manuscripts where results obtained by the above methods are presented; (ii) to choose suitable spectroscopic and microscopic approaches to study biological samples in consideration of their peculiar properties and of the specific aims of the investigation; (iii) to interpret the experimental data obtained using the methods discussed in the course.
Communication skills.
Use of an appropriate scientific vocabulary for the field.
Learning skills.
The knowledge on the main spectroscopic and microscopic approaches will facilitate the understanding of more advanced approaches and/or of new applications.
Contents
The course will illustrate the main spectroscopic and microscopic approaches for the study of biological systems, from biomolecules to intact cells and tissues. Applications of these methods in biotechnology, biochemistry and biomedicine will be presented. The practical aspects of these methods will be also discussed.
The course includes 10 hours of experimental work using advanced spectroscopy methods. In particular, studies of conformational properties and interactions of proteins will be performed by circular dichroism, infrared and fluorescence spectroscopies.
Detailed program
Chapter 1: Bio-Spectroscopy.
General introduction to electromagnetic waves and to the interaction between matter and radiation.
UV and visible absorption of biomolecules. Circular Dichroism.
General principles of fluorescence. Fluorescence of proteins and of the main fluorescent dyes of biotechnological interest. The effects of the environment, quenching processes, the Förster resonance energy transfer (FRET) process and fluorescence anisotropy.
Raman and infrared spectroscopy of biosystems.
Applications of these methods for the study of biomolecules and of bioprocesses in vitro and in vivo will be presented. Some examples are indicated below:
folding, stability and aggregation of proteins and peptides of biotechnological interest (biopharmaceuticals, enzymes, inclusion bodies, bio-materials, etc);
protein misfolding and amyloid aggregation (amyloid proteins involved in neurodegenerative diseases and systemic amyloidoses, fibrillogenesis in vitro and in situ and the role of the environmental factors, such as lipids and metals);
characterization and monitoring of biotechnological processes in vitro and in situ, such as lipid accumulation in intact microbial cells and enzymatic transesterification for biofuel production;
biomolecular interactions, such as the study of protein-ligand and protein-nanoparticle interactions.
Chapter 2: Microscopy.
The design of the conventional optical microscope and of fluorescence microscope will be presented. Laser scanning confocal fluorescence microscopy and its spatial resolution will be examined with the applications on single cells. Advanced super-resolution microscopies will be also discussed, with particular emphasis on STED microscopy.
The Atomic Force Microscopy (AFM), Electron Microscopies (TEM, SEM and Cryo-EM) and microspectroscopic approaches will be also presented.
Their applications for the study of biomolecular complexes, cells, intracellular structures and sensors, and tissues will be discussed.
Chapter 3: Laboratory activities.
Conformational changes and aggregation of proteins studied by circular dichroism and infrared spectroscopies.
Biomolecular interactions studied by circular dichroism and fluorescence spectroscopies.
The experimental activity involves sample preparation, spectroscopic data collection and subsequent analysis.
Prerequisites
Background: basic knowledge of Biochemistry.
Specific prerequisites: none.
General prerequisites: Students can take the exams of the third year after having passed all the exams of the first year of the course.
Teaching form
Classroom lessons supported by PowerPoint presentations, and interactive discussions with students on the interpretation of experimental data.
Teaching language: italian.
Textbook and teaching resource
Learning material (slides of the lessons, suggested websites and recommended scientific publications) is available at the e-learning web page of the course.
Recommended textbook:
Dagmar Klostermeier, Markus G. Rudolph, Biophysical Chemistry
CRC Press; December 19, 2017
Semester
First semester
Assessment method
Oral examination.
The examination consists of three parts:
- (50% of the final grade) Interpretation of experimental data;
- (30 % of the final grade) assessment of the basic knowledge of at least two spectroscopic methods among those presented;
- (20% of the final grade) assessment of the basic knowledge of one of the microscopic methods among those presemted.
Office hours
Contact: on demand, upon request by mail to lecturer.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Antonino Natalello
