Syllabus del corso
Obiettivi
Questo insegnamento ha l’obiettivo di approfondire concetti legati alle relazioni tra struttura e funzione delle proteine, entro un percorso che, partendo da aspetti fisiologici ed evolutivi, ne considera implicazioni patologiche e applicazioni biotecnologiche. Saranno descritte alcune tecniche biofisiche e biochimiche adeguate allo studio della struttura, della funzione ed alla modificazione di singole proteine o circuiti biochimici. Rimarcando la necessità di un approccio multidisciplinare, l'insegnamento intende offrire strumenti non solo conoscitivi ma anche metodologici utili allo studio, al controllo ed allo sfruttamento biotecnologico di fenomeni biologici complessi che coivolgano le proteine.
Gli obiettivi generali includono:
Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine dell'insegnamento lo studente avrà acquisito conoscenze su meccanismi di ripiegamento delle proteine, meccanismi di interazione intra ed intermolecolare, rilevanza di flessibilità strutturale e promiscuità funzionale, evoluzione naturale e directed-evolution di proteine. Lo studente potrà acquisire conoscenze su alcune tecniche per studi strutturali e funzionali di alcune classi di proteine.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente sarà in grado di conoscere le principali forze che guidano il ripiegamento (folding) delle proteine e riconoscere i principali meccanismi di funzionamento e malfunzionamento delle proteine, applicando tali conoscenze in contesti biotecnologici e progettuali.
Autonomia di giudizio
Lo studente sarà stimolato a riconoscere le relazioni esistenti tra struttura e funzione delle proteine e a prevedere su entrambi questi aspetti gli effetti di alcuni contesti ambientali.
Lo studente sarà incoraggiato a individuare personalmente la ricchezza di connessioni tra i contenuti disciplinari e i blocchi tematici in cui si articola questo insegnamento. La individuazione di problemi biologici complessi e lo sviluppo di soluzioni originali richiede sempre più spesso il ricorso a conoscenze che provengono da ambiti disciplinari diversi e complementari - dalla biologia cellulare, alla chimica, alla fisica. Cogliere relazioni tra fenomeni diversi (ad esempio molecolari e biofisici) e sfruttare la complementarità di differenti tecniche di indagine crea i presupposti per proporre nuove visioni, sviluppare senso critico ed offrire nuove soluzioni.
Abilità comunicative
Alla fine dell’insegnamento, lo studente avrà acquisito il lessico e le capacità linguistiche appropriate a descrivere i fenomeni biochimici e molecolari oggetto dell’insegnamento e di interesse per quest’area disciplinare.
Capacità di apprendimento
Lo studente sarà in grado di affrontare con successo insegnamenti avanzati nell’ambito della Protein science, degli studi funzionali e strutturali delle proteine e, più in generale, di comprendere la letteratura scientifica relativa.
Contenuti sintetici
- Struttura delle proteine e metodi per il loro studio
- Studi in vitro e in vivo sul folding delle proteine.
- Interazioni proteina-proteina, separazione e transizione di fase di biomolecole.
- Meccanismi di turnover delle proteine.
- Principi di evoluzione naturale ed evoluzione diretta delle proteine.
Programma esteso
1. Struttura delle proteine e metodi per il loro studio
Ordine e disordine strutturale. Elementi e motivi strutturali;
Tecniche per studi strutturali di proteine: Cristallografia a raggi X, Elettro-cryo microscopia, Spettroscopia NMR;
Come si misura il grado di somiglianza delle proteine;
Convergenza/divergenza nella struttura delle proteine analizzate attraverso casi di studio.
2. Studi in vitro e in vivo sul folding delle proteine
Aspetti termodinamici e cinetici del folding proteico;
Teorie sul folding proteico;
Folding delle proteine in vivo;
Importanza degli eventi di traduzione sul folding delle proteine (codon bias e velocità di traduzione);
Risvolti biotecnologici del controllo della velocità di traduzione.
3. Interazioni proteina-proteina, separazione e transizione di fase di biomolecole
Metodi per lo studio delle interazioni proteina-proteina (microcalorimetria; surface plasmon resonance);
Fenomeni chimico-fisici alla base della condensazione di biomolecole;
Esempi di rilevanza biologica di condensazione di bio-molecole;
Da condensati liquidi ad aggregati solidi: aspetti fisiologici e patologici della transizione di fase;
Tipologie di aggregati proteici;
Fibrille amiloidi e proteine prioniche. Hallmark di aggregazione amiloide;
Dai meccanismi di propagazione ai dispositivi diagnostici di patologie amiloidi.
4. Meccanismi di turnover delle proteine
Panoramica su meccanismi cellulari di turnover delle proteine;
Degradazione delle proteine mediante il sistema ubiquitina-proteasoma (UPS);
Potenziale farmacologico dei meccanismi naturali di UPS e farmaci di tipo “dual target degrader”. Studio di casi.
5. Principi di evoluzione naturale ed evoluzione diretta delle proteine
Concetti generali su evoluzione naturale ed evolvibilità nella prospettiva della progettazione biotecnologica di proteine;
Tasso di evoluzione delle proteine e protein fitness lanscape;
Ruolo della variazione fenotipica e del neutral drift nell'evoluzione delle proteine;
Vari approcci di ingegneria proteica e tecniche di evoluzione diretta delle proteine.
Prerequisiti
Prerequisiti: Conoscenze di base di Biochimica e Biologia cellulare.
Propedeuticità: Non sono previste propedeuticità
Modalità didattica
L'insegnamento prevede 21 lezioni (6 CFU) che si svolgeranno in modalità mista: convenzionale 'erogativa', in presenza degli studenti e con il supposto di slide e video, e 'interattiva', con la partecipazione attiva degli studenti nell'analisi e interpretazione di lavori scientifici di recente pubblicazione.
Parte delle lezioni (fino a 4) sarà svolta in copresenza, nella forma di seminari tenuti da esperti che illustreranno l'applicazione di specifiche tecniche per lo studio strutturale o funzionale delle proteine.
In base alle richieste specifiche degli studenti, potranno essere introdotti nuovi argomenti o analizzate nuove tecniche per lo studio della struttura e della funzione delle proteine. In relazione al numero di studenti frequentanti, potranno essere organizzati lavori di gruppo volti all’analisi della letteratura scientifica.
Materiale didattico
Slides e videolezioni: reperibili sulla pagina Moodle dell’insegnamento (http://elearning.unimib.it/).
Articoli scientifici citati/descritti durante le lezioni
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Prova orale: ha una durata di 30-40 minuti, e consiste in due parti.
Prima parte: Presentazione con diapositive PowerPoint di un articolo scientifico concordato con il docente (durata: 15 minuti), seguita da domande inerenti all'articolo (5-10 minuti).
La valutazione (50% del voto finale) considera il grado di comprensione dell'articolo, la capacità di spiegare chiaramente il problema scientifico e l'approccio tecnico, e l'uso di un linguaggio appropriato.
Seconda parte: domande sul contenuto delle lezioni frontali (almeno da due dei 5 blocchi tematici) (10-15 minuti).
La valutazione (50% del voto finale) considera la conoscenza di argomenti specifici, la capacità di individuare connessioni tra i contenuti disciplinari dei vari blocchi e il tema del seminario, l'uso di un linguaggio appropriato e la chiarezza espositiva.
Gli studenti che si iscriveranno al 1° appello d'esame avranno l'opportunità di presentare l'articolo scientifico (prima parte) sotto forma di seminario rivolto alla classe.
Orario di ricevimento
Su appuntamento, per mail a stefania.brocca@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
This course aims to deepen concepts related to the relationships between the structure and function of proteins within a pathway that, starting from physiological and evolutionary aspects, considers pathological implications and biotechnological applications of proteins. Some biophysical and biochemical techniques suitable for studying the structure, function and modification of individual proteins or biochemical circuits will be described. By emphasising the need for a multidisciplinary approach, the course aims to offer not only cognitive but also methodological tools useful for the study, control and biotechnological exploitation of complex biological phenomena involving proteins. The general objectives are as follows:
Knowledge and understanding
By the end of the course, students will have acquired knowledge about the mechanisms of protein folding, the relevance of structural flexibility and functional promiscuity, conformational and functional transitions, natural evolution and directed-evolution of proteins, conformational transitions often associated with the establishment of protein-protein interactions, under both physiological and pathological conditions. Students will acquire knowledge of some techniques for structural and functional studies of some classes of proteins.
Ability to apply knowledge and understanding
The examples illustrated during the lectures bring out the main mechanisms of (mal)functioning of proteins, associated with their structural peculiarities and interaction with the environment. It is expected that they can be recognised in contexts other than those exemplified and are potentially applied, for example, to design new 'synthetic' proteins. It is expected that students learn to recognise the various contexts in which the techniques outlined in the course are profitably applicable.
Autonomy of judgment
Students will be stimulated to recognise the relationships between protein structure and function and to predict the effects of certain environmental contexts on both these aspects.
Students will be encouraged to personally identify the wealth of connections between the main topics of this course. The identification of complex biological problems and the development of original solutions increasingly requires the use of knowledge from different and complementary disciplinary fields - from cell biology to chemistry to physics. Grasping relationships between different phenomena (e.g. molecular and biophysical) and exploiting the complementarity of different investigative techniques creates the prerequisites for proposing new visions, developing a critical sense and offering new solutions.
Students will be able to predict the effects of various environmental contexts on proteins, developing a critical and original perspective in interpreting and solving complex biological problems.
Communication skills
By the end of the course, students will have acquired the appropriate vocabulary and linguistic skills to describe the biochemical and molecular phenomena covered in the course.
Learning skills
Students will be able to successfully tackle advanced courses in Protein Science and understand the scientific literature in these disciplinary areas.
Contents
- Structure of proteins and methods for their study
- In-vitro and in-vivo studies on protein folding
- Protein-protein interactions; separation and phase transition of biomolecules
- Mechanisms of protein turnover
- Principles of natural and directed evolution of proteins
Detailed program
1. Structure of proteins and methods for their study.
Structural order and disorder; Structural elements and motifs;
Methods for the structural study of proteins: X-ray crystallography, Electro-cryo microscopy, NMR spectroscopy
How to meeasure protein similarity;
Similarity and divergence in protein structure analysed through case studies.
2. In-vitro and in-vivo studies on protein folding
Thermodynamic and kinetic aspects of protein folding;
Protein folding theories;
Protein folding in vivo;
Importance of translation events on protein folding (codon bias and translation rate);
Biotechnological implications of translation rate control.
3. Protein-protein interactions; separation and phase transition of biomolecules
Methods for studying protein-protein interactions (microcalorimetry; surface plasmon resonance);
Chemical-physical phenomena underlying molecular condensates;
Examples of biological relevance of bio-molecular condensates;
From liquid condensates to solid aggregates: physiological and pathological aspects of phase transition;
Types of protein aggregates;
Amyloid fibrils and prion proteins. Hallmarks of amyloid aggregation;
From propagation mechanisms to diagnostic devices of amyloid pathologies.
4. Mechanisms of protein turnover
Overview of cellular mechanisms of protein turnover;
Protein degradation by the ubiquitin-proteasome system (UPS);
Pharmacological potential of natural UPS mechanisms and dual target degrader drugs. Case studies.
5. Principles of natural and directed evolution of proteins
General concepts of natural evolution and evolvability from the perspective of biotechnological protein design;
Protein evolution rate and fitness landscape;
Role of phenotypic variation and neutral drift in protein evolution;
Various protein engineering approaches and techniques of protein directed evolution.
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Prerequisites
Prerequisiti: Basic knowledge in the fields of Biochemistry and Cellular biology.
Teaching form
The course The course consists of 24 lessons (6 ECTS) delivered in a mixed mode, conventional and interactive. The conventional lecture-based format necessitates in-person attendance, whereas the interactive format encourages active student participation in the analysis and interpretation of recently published scientific papers.
A number of lessons (up to four) will be conducted with guest experts who will deliver seminars illustrating the application of specific techniques for the structural or functional study of proteins.
In response to student requests, new topics or techniques for studying the structure and function of proteins may be introduced.
The number of students in attendance will determine whether group work will be organised to analyse scientific literature.
Textbook and teaching resource
PPT slides and videos published on the Moodle website (http://elearning.unimib.it/).
Articles referred/described in the lessons
Semester
First semester
Assessment method
Oral exam lasting 30-40 minutes, divided into two parts:
First part: Presentation with PowerPoint slides of a scientific article agreed upon with the teacher (duration: 15 minutes), followed by questions related to the article (5-10 minutes).
Evaluation (50% of the final mark) considers the degree of understanding of the article, the ability to clearly explain the scientific problem and the technical approach, and the use of appropriate language.
Second part: Questions on the content of the lectures (at least two of the five thematic blocks) (10-15 minutes).
Evaluation (50% of the final mark) considers the knowledge of specific topics, the ability to identify connections between the lesson content and the seminar topic, the use of appropriate language, and clarity of presentation.
Students who register for the 1st exam call will have the opportunity to present the scientific paper (part 1) in the form of a seminar for the class.
Office hours
On demand, by mail to stefania.brocca@unimib.it
Sustainable Development Goals
Staff
-
Stefania Brocca
