Syllabus del corso
Obiettivi
1. Conoscenza e capacità di comprensione.
Lo studente acquisirà conoscenze di base e applicate relative a:
-spettroscopia di assorbimento e fluorescenza per lo studio di biomolecole e fluorofori,
-tecniche ottiche per l’analisi della struttura secondaria delle proteine e del processo di folding/unfolding (CD, IR, fluorescenza),
-interazioni tra proteine e ligandi attraverso misure di fluorescenza,
-diffusione quasi elastica della luce per l’analisi della dimensione e aggregazione di proteine e nanoparticelle,
-effetti di ipertermia da nanoparticelle metalliche e imaging termico,
-acquisizione di immagini biologiche con microscopia a fluorescenza confocale e a campo largo (luce trasmessa),
-basi di analisi di immagini e dati con strumenti di intelligenza artificiale (AI).
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di:
-utilizzare strumenti spettroscopici e ottici per l’analisi di sistemi biologici,
-applicare protocolli sperimentali per studiare strutture proteiche e determinare le dimensioni/aggregazione di nanoparticelle,
-condurre esperimenti con laser e termocamere per analizzare l’effetto fototermico di nanoparticelle,
-utilizzare un microscopio confocale e a luce trasmessa per acquisire e interpretare immagini di cellule e tessuti,
-applicare tecniche base di AI per l’elaborazione di immagini e l’analisi dei dati sperimentali.
3. Autonomia di giudizio.
Lo studente svilupperà:
-capacità critica nell’analizzare dati spettroscopici e microscopici,
-autonomia nella valutazione dell'affidabilità di dati sperimentali,
-consapevolezza dei limiti e delle potenzialità delle tecniche impiegate,
-abilità nel selezionare il metodo più idoneo in base al tipo di biomolecola o campione studiato.
4. Abilità comunicative.
Lo studente sarà in grado di:
-presentare i risultati sperimentali in modo chiaro e rigoroso,
-descrivere il setup e le tecniche utilizzate con terminologia appropriata,
-redigere relazioni su esperienze di laboratorio.
5. Capacità di apprendimento.
Lo studente acquisirà:
-strumenti metodologici per apprendere in autonomia nuove tecniche biofisiche,
-capacità di documentarsi su articoli scientifici, protocolli sperimentali e software di analisi,
-competenze utili per proseguire in attività di laboratorio, tesi sperimentale o corsi avanzati nel campo della biofisica, nanotecnologia o imaging biomedicale.
Contenuti sintetici
Assorbimento, Fluorescenza, Scattering dinamico di luce, Spettroscopia Infrarossa, Dicroismo Circolare, Microscopia, Nanoparticelle, analisi dati e immagini tramite metodi di intelligenza artificiale
Programma esteso
Gli 8 CFU sono ripartiti in 2 CFU di esercitazioni (rigurdanti l'uso di algoritmi di intelligenza artificiale per l'analisi di dati e immagini) e 6 CFU di Laboratorio.
All'inizio delle lezioni di Laboratorio verranno fornite le spiegazioni relative alla parte teorica, agli esperimenti da svolgere e all'analisi dati.
Gli argomenti trattati sono:
Spettroscopia di assorbimento e di fluorescenza di biomolecole e fluorofori.
Determinazione della struttura secondaria di proteine e studio del processo di folding-unfolding mediante tecniche ottiche (dicroismo circolare, fluorescenza e spettroscopia infrarossa).
Studio dell’interazione fra biomolecole e ligandi mediante fluorescenza. Misura della dimensione di proteine e dello stato di aggregazione di nanoparticelle d’oro mediante diffusione quasi elastica di luce.
Studio degli effetti di ipertermia di nanoparticelle metalliche prodotti da luce laser infrarossa e visualizzati mediante l'uso di una termocamera.
Uso di un microscopio confocale a fluorescenza per acquisire immagini di cellule e tessuti biologici: analisi delle immagini, misura della risoluzione ottica del sistema.
Analisi dati e immagini tramite metodi di intelligenza artificiale (2 CFU)
Prerequisiti
nozioni di elettromagnetismo classico, ottica, elementi di biofisica
Modalità didattica
Didattica interattiva, in italiano, che consiste di:
- Laboratorio in cui ogni gruppo di studenti svolgerà le differenti esperienze descritte nel programma del corso e le relative analisi dei dati acquisiti (6 CFU)
- Esercitazioni in cui ogni gruppo analizzerà dati e immagini tramite metodi di intelligence artificiale (2 CFU)
Materiale didattico
Libri di testo:
Cantor and Schimmel "Biophysical Chemistry"
Robert Pecora, Bruce J. Berne, "Dynamic Light Scattering"
Joseph R Lakowicz, "Principles of fluorescence spectroscopy"
Le slide relative alla parte teorica degli esperimenti saranno rese disponibili sull'e-learning.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
PROVA ORALE, svolta individualmente, con discussione delle relazioni di laboratorio.
La RELAZIONE DI LABORATORIO deve illustare la parte di teoria e di svolgimento degli esperiementi affrontati durante il corso con relativa analisi dati. Le relazioni possono essere svolte in gruppo o singolarmente.
Il voto finale sarà determinato dalla valutazione della relazione, della conoscenza dei vari argomenti trattati, dell’analisi dei dati sperimentali e del comportamento tenuto durante tutto il corso in laboratorio, che verranno pesati in ugual modo per determinare il voto finale espresso in 30-esimi.
Verrà inoltre valutato:
- l'utilizzo di termini tecnici appropriati
- l'esposizione di concetti in modo chiaro, logico e coerente
- la padronanza del linguaggio scientifico
Orario di ricevimento
Normalmente il docente e' sempre disponibile per ricevimento, la presenza e' tuttavia garantita solo se preventivamente concordata per mail o di persona a margine delle lezioni.
Sustainable Development Goals
Aims
1. Knowledge and understanding.
The student will acquire both basic and applied knowledge related to:
-absorption and fluorescence spectroscopy for the study of biomolecules and fluorophores,
-optical techniques for analyzing protein secondary structure and folding/unfolding processes (CD, IR, fluorescence),
-interactions between proteins and ligands through fluorescence measurements,
-quasi-elastic light scattering for analyzing the size and aggregation state of proteins and nanoparticles,
-photothermal effects of metallic nanoparticles and thermal imaging,
-acquisition of biological images using confocal and widefield (transmitted light) fluorescence microscopy,
-fundamentals of image and data analysis using artificial intelligence (AI) tools.
2. Applying knowledge and understanding.
At the end of the course, the student will be able to:
-use spectroscopic and optical instruments to analyze biological systems,
-apply experimental protocols to study protein structures and determine nanoparticle size/aggregation,
-carry out experiments with lasers and thermal cameras to investigate the photothermal effects of nanoparticles,
-use confocal and transmitted light microscopy to acquire and interpret images of cells and tissues,
-apply basic AI techniques for image processing and experimental data analysis.
3. Making judgements.
The student will develop:
-critical skills in analyzing spectroscopic and microscopic data,
-autonomy in evaluating the reliability of experimental results,
-awareness of the limitations and potential of the employed techniques,
-the ability to select the most appropriate method depending on the biomolecule or sample under study.
4. Communication skills.
The student will be able to:
-present experimental results clearly and accurately,
-describe setups and techniques using appropriate technical terminology,
-write reports on laboratory experiments.
5. Learning skills.
The student will acquire:
-methodological tools to independently learn new biophysical techniques,
-the ability to consult scientific articles, experimental protocols, and analysis software,
-skills useful for pursuing laboratory activities, an experimental thesis, or advanced courses in biophysics, nanotechnology, or biomedical imaging.
Contents
Absorbance, Fluorescence, Dynamic Light Scattering, Infrared Spectroscopy, Circular Dichroism, Microscopy, Nanoparticles, Artificial Intelligence methods for data and image analysis
Detailed program
The 8 CFU comprises 2 CFU of data and image analysis through artificial intelligence-based methods. The remaining 6 CFU are related to the Laboratory lessons.
Before the Laboratory, introductory lessons about the different instruments and spectroscopy/microscopy techniques will be illustrated together with data analysis methods.
The main topics are reported in the following:
Absorbance and fluorescence spectroscopy of biomolecules and fluorophores.
Evaluation of the secondary structure of proteins and study of the folding-unfolding processes through optical techniques (circular dichroism, fluorescence and infrared spectroscopy).
Study of biomolecules-small ligands interactions through fluorescence techniques.
Estimate of the proteins dimension and the aggregation state of gold nanoparticles by means of quasi-elastic light scattering.
Hyperthermic effect induced on metallic nanoparticles by an infrared laser and its measurement through a thermal camera.
Fluorescence confocal microscopy applied to image acquisition of cells and biological tissues: image analysis, measurement of the optical resolution of the system.
Data and image analysis through artificial intelligence-based methods (2 CFU)
Prerequisites
knowledge of classical electromagnetism, optics, elements of biophysics
Teaching form
Interactive lessons, in Italian, related to:
- Laboratory in which each group of students will perform the experiments described in the program section (6 CFU)
- Exercises related to data and image analysis by means of artificial intelligence-based algorithms (2 CFU)
Textbook and teaching resource
Textbooks:
Cantor and Schimmel "Biophysical Chemistry"
Robert Pecora, Bruce J. Berne, "Dynamic Light Scattering"
Joseph R Lakowicz, "Principles of fluorescence spectroscopy"
Slides provided on the e-learning site
Semester
Second semester
Assessment method
ORAL EXAM related to the laboratory reports. The Laboratory report comprises both the theroretical introduction and the description of the developed experiments with the related data analysis. Individual or group reports can be presented for exam evaluation.
The final grade will be determined based on the evaluation of the written report, the knowledge of the various topics covered, the analysis of experimental data, and the student's conduct throughout the laboratory course. These components will be weighted equally to determine the final grade, expressed on a 30-point scale.
Additionally, the following will be assessed:
- the use of appropriate technical terminology
- the ability to present concepts in a clear, logical, and coherent manner
- the command of scientific language
Office hours
Usually the teacher is always available for reception, however the presence is guaranteed only if previously arranged, either in classroom or by e-mail.
