Course Syllabus
Obiettivi
L’obiettivo formativo del corso è quello di introdurre lo studente alle tematiche della Biologia Sintetica e fornire i principi generali della disciplina, nonchè fornire gli strumenti metodologici di base da applicare al fine di riprogettare e ricostruire 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, inclusa la preparazione di report, e all'analisi critica dei risultati ottenuti dagli esperimenti svolti.
Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di:
- comprendere e spiegare le finalità, 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 frontali gli studenti apprenderanno le tecnologie di base per costruire microrganismi geneticamente modificati tramite precision editing 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 e/o in bioreattore, a cui seguiranno le parti analitiche più adatte per descrivere quantitativamente e qualitativamente i risultati ottenuti, e permettere una analisi critica e comparativa.
Programma esteso
Lezioni frontali
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 (clonaggio modulare e CRISPR-Cas)
Parti e composizione I: Cosa sono le parti e come si assemblano funzionalmente?
Parti e Composizione II: Espressione e regolazione genica, interruttori sinetici on-off, oscillatori
Dispositivi a RNA
Sintesi bitecnologica di nuovi composti : "new to biochemistry"
Lezioni di laboratorio
Design di sistemi di ingegnerizzazione per lieviti GRAS tramite uso di strumenti bioinformatici, e realizzazione di device tramite Golden Gate come tecnica di modular cloning
Realizzazione di ceppi batterici e di lievito ingegnerizzati, questi ultimi sfruttando il sistema CRISPR-Cas come metodologia di precisione editing
Test primari sui trasformanti risultanti
Processi produttivi sui ceppi ingegnerizzati
Analisi dei dati in itinere ed al termine e discussione, confronto, ipotesi di riprogettazione
Prerequisiti
Conoscenze di base di biologia molecolare, genetica e microbiologia industriale.
Modalità didattica
Il corso sarà per gran parte erogato tramite lezioni pratiche.
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.
Le 14 ore di lezione sono erogate in 7 lezioni da 2 ore costituite da:
- una parte in modalità erogativa (didattica erogativa, DE) focalizzata sulla presentazione-illustrazione di contenuti, concetti, principi scientifici
- una parte in modalità interattiva (didattica interattiva, DI), che prevede interventi didattici integrativi di scambi con corsisti/e, spiegazioni preliminari e propedeutiche per gli esercizi sperimentali volte a familiarizzare con gli strumenti informatici in seguito utilizzati.
- Le diapositive sono realizzate in lingua inglese, su richiesta il corso può essere erogato in lingua inglese.
Le 40 ore di laboratorio sono svolte in modalità interattiva (didattica interattiva, DI), che prevede un continuo scambio tra pari e con il Docente di riferimento ed eventuali Tutor. La modalità interattiva è da intendersi sia come guida pratica nell'esecuzione delle procedure sperimentali, sia come richieste di approfondimento nonchè domande da parte del Docente che permettano allo studente/studentessa di operare riflessioni sulle implicazioni degli esperimenti in esecuzione e su pianificazioni future. Questo lavoro è propedeutico alla acquisizione di competenze, verificata poi nell'esame finale.
La frequenza alle ore di laboratorio è da considerarsi obbligatoria
Materiale didattico
Diapositive delle lezioni e registrazioni delle lezioni frontali (le diapositive contengono anche i link agli articoli di approfondimento, che sono accessibili da parte degli studenti/esse o perchè pubblicazioni open access o perchè inclusi nel certificato accademico);
Protocolli per gli esperimenti da svolgere il laboratorio;
Materiale a supporto quali articoli e review di approfondimento, da utilizzare sia per lo studio sia per la preparazione all'esame.
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.
Agli studenti è richiesta la redazione di una relazione scritta consistente nella progettazione e analisi di un nuovo sistema biologico pianificato sulla base di quanto acquisito nelle lezioni frontali e in laboratorio, ed ipoteticamente realizzato ed analizzato quali-quantitativamente. Questa attività è da considerarsi preferibilmente come un lavoro di gruppo, che verrà consegnato ai Docenti una settimana prima dell'esame, verrà esposto e valutato durante una sessione di esame orale in cui vi saranno anche domande di chiarimento e approfondimento. Ogni componente del gruppo esporrà una parte del lavoro, come concordato nel gruppo, ma le domande di approfondimento potranno essere fatte a ciascun membro del gruppo su qualsiasi parte del progetto.
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 the 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 microorganism(s) 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 generated microorganism(s) will be analysed by setting up cultures in flasks and/or controlled bioreactors, which will be followed by the most suitable analytical techniques to describe quantitatively and qualitatively the results obtained, and allow a critical and comparative analysis.
Detailed program
Lessons in class
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, Toggle Switch, Oscillators
RNA Devices
Biological synthesis of novel compunds: "new to biochemistry"
Practical lessons
Design of engineering systems for GRAS yeasts using bioinformatics tools and Golden Gate as modular cloning system;
Construction of engineered bacterial and of yeast strains, those with the CRISPR-Cas based precision editing;
Primary testing of the resulting transformants;
Production processes on engineered strains;
Data analysis in intinere and at completion: discussion, comparison, hypotheses for redesign
Prerequisites
Basic knowledge in molecular biology, genetics and industrial 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.
The 14 lesson hours are delivered in 7 two-hour lessons consisting of:
- a part in delivery mode (delivery didactics, DE) focused on the presentation-illustration of contents, concepts, scientific principles
- a part in interactive mode (interactive didactics, DI), which provides supplementary didactic interventions of exchanges with trainees, preliminary and preparatory explanations for experimental exercises aimed at familiarising the trainees with the computer tools subsequently used.
- The slides are produced in English, the course can be delivered in English on request.
The 40 laboratory hours are carried out in interactive mode (interactive teaching, DI), which envisages a continuous exchange among peers and with the teacher of reference and any tutors. The interactive mode is intended both as a practical guide in the execution of the experimental procedures, and as requests for in-depth studies and questions from the lecturer that allow the student to reflect on the implications of the experiments being carried out and on future plans. This work is preparatory to the acquisition of skills, which are then verified in the final examination.
Attendance at laboratory hours is compulsory.
Textbook and teaching resource
Lecture slides and recordings of lectures (the slides also contain links to background articles, which are accessible to students either because they are open access publications or because they are included in the academic certificate);
Protocols for the experiments to be carried out in the laboratory;
Supporting material such as articles and in-depth reviews, to be used both for study and examination preparation.
Semester
First semester
Assessment method
The participation in the laboratory sessions is rquired to achieve a positive assessment.
Students are required to write a written report consisting of the design and analysis of a new biological system planned on the basis of what was acquired in the lectures and in the laboratory, and hypothetically realised and analysed qualitatively and quantitatively. This activity is to be considered preferably as a group work, which will be handed in to the lecturers one week before the examination, and will be presented and assessed during an oral examination session in which there will also be questions for clarification and in-depth study. Each member of the group will present one part of the work, as agreed in the group, but in-depth questions may be asked of each group member on any part of the project.
Office hours
By appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Paola Branduardi
-
Valeria Maria Teresa Mapelli
