Course Syllabus
Obiettivi
L’obiettivo formativo del corso è quello di introdurre lo studente alle tematiche e fornire i principi generali della Biologia sintetica, nonchè una serie di strumenti metodologici di base da applicare al fine di riprogettare e produrre (Biologia sintetica) sistemi biologici (es. circuiti genetici basati su DNA o RNA) già presenti in natura o progettare e fabbricare componenti e sistemi biologici non ancora esistenti, per applicazioni biotecnologiche nel campo della microbiologia industriale e in particolare del Biomanufacturing.
La preponderante parte pratica che si svolgerà in laboratorio (informatico e di biologia molecoalre) sarà volta alla generazione di almeno un sistema derivante dall'applicazione degli strumenti della biologia sintetica.
Inoltre, la parte sperimentale ha come obiettivo quello di introdurre gli studenti alla pianificazione degli esperimenti, alla gestione e utilizzo degli strumenti di laboratorio e all'analisi dei risultati ottenuti dagli esperimenti svolti.
Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di:
- comprendere e spiegare i metodi e gli strumenti principali della biologia sintetica
- pianificare ed eseguire esperimenti di base in biologia sintetica utilizzando un metodo di lavoro sicuro e scientificamente fondato
- presentare e spiegare per iscritto e oralmente gli esperimenti e i metodi del corso pianificati e completati
Contenuti sintetici
I principi di base della Biologia Sintetica sono: (i) l'uso di building blocks standardizzati e ben caratterizzati, (ii) la progettazione di circuiti genetici artificiali ispirati alla natura e proteine in silico, e (iii) l'uso di sequenze di DNA sintetizzato chimicamente per generare sequenze non presenti in natura.
Durante le lezioni gli studenti apprenderanno le tecnologie di base per costruire microrganismi geneticamente modificati e per progettare e analizzare sistemi di biologia sintetica per bioproduzioni.
Durante l'esperienza pratica di laboratorio, gli studenti progetteranno con strumenti informatici la costruzione del materiale genetico e le modificazioni genetiche che verranno introdotte in un predefinito microrganismo GRAS (Generally Recognized As Safe) durante le sessioni di laboratorio sperimentale. Infine, le nuove funzioni del microrganismo generato saranno analizzate allestendo colture in beuta o bioreattore.
Programma esteso
Applicazioni della Biologia Sintetica nel campo del Biomanufacturing utilizzando microorganismi
Rassegna rapida dei processi cellulari rilevanti
Assemblaggio del DNA, modifica del genoma e ingegneria dell'intero genoma (clonazione modulare e CRISPR-Cas)
Parti e composizione I: Cosa sono le parti e come si collegano?
Parti e Composizione II: Espressione e regolazione genica, composizione in cascate
Interruttori sinetici on-off
Oscillatori
Dispositivi a RNA
Dispositivi e circuiti a RNA: MiRNA e RBP, rCas9
Circuiti proteina-proteina
Sintesi bitecnologica di nuovi composti : "new to biochemistry"
Prerequisiti
Conoscenze di base di biologia moleclare e microbiologia.
Modalità didattica
Il corso sarà per gran parte applicativo.
In particolare, il corso sarà composto da 14 ore di lezioni frontali in cui si introdurranno e spiegheranno i concetti e gli strumenti fondamentali della biologia sintetica e da 40 ore di attività pratica in laboratorio in cui si applicheranno alcuni strumenti della biologia sintetica e si analizzeranno i risultati su colture microbiche.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La partecipazione alle sessioni di laboratorio è necessaria per ottenere una valutazione positiva.
Inoltre, agli studenti è richiesta la redazione di una relazione scritta (es. progettazione e analisi di un nuovo sistema biologico o analisi approfondita di un sistema biologico esistente, sintetico o naturale) che verrà valutata durante una sessione di esame orale.
Orario di ricevimento
Su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
The educational objective of the course is to introduce the student to the topics and provide the general principles of synthetic biology, as well as a series of basic methodological tools that can be applied in order to redesign and produce (Synthetic Biology) biological systems (e.g. genetic circuits based on DNA or RNA) already present in nature or to design and manufacture biological components and systems that do not yet exist, for biotechnological applications in the field of industrial microbiology and in particular of Biomanufacturing.
The predominant practical part , which will take place in the laboratory (IT lab and molecular biology lab) aims at generating at least one system deriving from the application of synthetic biology tools.
Furthermore, the students will be introduced to planning of experiments, management and use of laboratory instruments and analysis of the results obtained during the lab work.
principali
On completion of the course, the student should be able to:
- account for central methods and tools in synthetic biology
- plan and carry out basic experiments in synthetic biology using a safe and scientifically based way of working
- in writing and orally present and explain the planned and completed experiments and methods of the course
Contents
The basic principles of Synthetic Biology are: (i) the use of standardised and well characterised building blocks, (ii) the hierarchical design of nature-inspired, artificial genetic circuits and proteins in silico, and (iii) the use of chemically synthesized DNA sequences not found in nature.
During lectures the students will learn the basic technologies to build genetically modified microorganims and how to design and analyze synthetic biology systems for bioproductions.
During the practical laboratory experience, the students will design with informatics tools the genetic material and the genetic modifications that will be introduced in a selected GRAS microorganism during the wet-lab sessions. In addition, the novel functions of the generate microorganism will be analysed by setting up cultures in flasks or controlled bioreactors.
Detailed program
About Synthetic Biology and its application in the field of Biomanufacturing with microorganisms
Quick review of relevant cellular processes
DNA Assembly, genome editing and whole genome engineering (modular cloning and CRISPR-Cas)
Parts and composition I: What are parts and how do they connect?
Parts and Composition II: Gene expression and regulation, composition into cascades
Toggle Switch
Oscillators
RNA Devices
RNA Devices and Circuits: MiRNA and RBPs, rCas9
Protein-Protein Circuits
Biological synthesis of novel compunds: "new to biochemistry"
Prerequisites
Basic knowledge in molecular biology and microbiology.
Teaching form
The course will be largely practical.
In particular, the course will consist of 14 hours of frontal lessons in which the fundamental concepts and tools of synthetic biology will be introduced and explained and of 40 hours of practical activity in the laboratory in which some tools of synthetic biology will be applied and the results will be analyzed on microbial cultures.
Semester
First semester
Assessment method
The participation to laboratory sessions is rquired to achieve a positive assessment.
In addition, the students are required to make a written report (e.g. design and analyze a novel biological system or to analyze an existing biological system (synthetic or natural) in depth in a novel way”) that will be assessed during an oral exam session.
Office hours
By appointment
