Course Syllabus
Obiettivi
L'interazione radiazione (U-VIS) e materia permette di studiare la "soft matter", in particolare i sistemi biologici a diversi gradi di complessità.
L'insegnamento di Elementi di Biofotonica si prefigge di avvicinare lo/la studente/essa alle principali tecniche spettroscopiche di indagine dei biosistemi principalmente nell'intervallo UV-VIS dello spettro elettromagnetico.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo/la studente/essa verrà a conoscenza delle caratteristiche delle principali macromolecole biologiche. Comprenderà i principi di utilizzo delle varie tecniche di indagine sia a livello teorico sia a livello sperimentale e sarà in grado di capire quale tipo di informazioni si possono ottenere dalle varie tecniche per applicazioni nel campo della biofisica e della nanomedicina.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo/la studente/essa è in grado di:
- sapere la struttura principale delle proteine e acidi nucleici
- decidere quale tecnica spettrocopica di indagine applicare per determinare la struttura secondaria o terziaria di una macromolecola biologica.
- risolvere semplici problemi di natura biofisica
Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo/la studente/essa è in grado di:
- decidere quale tecnica spettrocopica sia meglio utiizzare per risolvere una semplice problematica in campo biofisico
- dalla lettura critica di un articolo scientifico capire quali sono i principali risultati e i dati raccolti.
Abilità comunicative
Saper illustrare un articolo scientifico approfondito con proprietà di linguaggio e scelta critica dei pincipali risultati raggiunti.
Discutere di argomenti trattati a lezione in modo appropriato e critico.
Capacità di apprendere
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite in ambito pratico (per esempio in un labioratorio di dindirizzo successivo) ed eventualmente anche in altri ambiti alternativi alla soft matter biologica.
Contenuti sintetici
Principali caratteristiche delle macromolecole biologiche
Spettroscopia UV-VIS fuori risonanza e in risonanza,
Cenni di microscopia di fluorescenza
Cenni di termodinamica per applicazioni biologiche
Nanosistemi per applicazioni biomediche
Programma esteso
I protagonisti: proteine, acidi nucleici, cellule, cromofori, nanomateriali. Strutture e interazioni.
Tecniche spettroscopiche:
Diffusione di luce quasi elastica e cenni di idrodinamica. Esempi di applicazione alle biomolecole, determinazione delle dimensioni molecolari e studio di fenomeni di aggregazione.
Spettroscopia di assorbimento. Legge di Beer-Lambert. Coefficienti di assorbimento. Effetti di interazione fra cromofori. Spettri caratteristici di proteine (alfa-eliche, beta-sheet e random coil) e DNA. Effetti di conformazione.
Dicroismo circolare. Principi fisici Spettri caratteristici di proteine (alfa-eliche, beta-sheet e random coil) e DNA. Effetti di conformazione.
Spettroscopia di fluorescenza. Coefficiente di emissione spontanea. Definizione di resa quantica, tempo di vita di stato eccitato. Spettri di eccitazione ed emissione. Dipendenza dalla concentrazione del fluoroforo. La fluorescenza intrinseca nelle biomolecole. Le principali sonde fluorescenti. La classe delle “Fluorescent Proteins (GFP etc.)”. Meccanismi di smorzamento della fluorescenza I: quenching collisionale di Stern-Volmer, quenching statico e loro applicazione alle biomolecole. Meccanismi di smorzamento della fluorescenza II: il fenomeno del trasferimento energetico risonante alla Foerster. Teoria e applicazioni. Effetti di solvente sulla fluorescenza: effetti di “bulk”, equazione di Lippert-Mataga.
Cenni di microscopia ottica confocale e con eccitazione a due fotoni. Schema di un tipico microscopio. Acquisizione di immagini. Applicazioni in campo biofisico (cellule, piccoli organismi, applicazioni in vivo)
Cenni di termodinamica: Energia libera di Gibbs e Helmholtz. Potenziale chimico e legge di azione di massa. Energia e cinetiche di legame. Effetti di cooperatività. Il processo di folding e unfolding
Nanoparticelle multifunzionali per applicazioni biomediche: interazione con la radiazione, meccanismi di targeting e internalizzazione cellulare, effetti termici in campo medico.
Prerequisiti
Conoscenza della fisica insegnata nei corsi di Fisica dei primi due anni della Laurea Triennale in Fisica.
Modalità didattica
Didattica erogativa : Lezioni frontali con slides e lavagna, poi caricate sul sito elearning del corso, insieme ad articoli per approfondimenti su argomenti specifici.
Registrazioni delle lezioni.
Materiale didattico
Slides caricate sul sito elearning.
Le registrazioni delle lezioni sono disponibili.
Articoli di esempio per approfondimenti caricati sul sito elearning.
Testo di riferimento del corso:
1. Webb, Andrew; “Introduction to biomedical imaging”
2. Cantor, Charles R.; Schimmel, Paul R.; "Biophysical chemistry” [Comprende: The conformation of biological macromolecules 1 Techniques for the study of biological structure and function 2 The behavior of biological macromolecules 3]
Capitoli di altri libri sono indicati sulle slides e caricati sul sito elearning.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale che consiste in:
- breve presentazione di un articolo pubblicato su rivista scientifica riguardante argomenti inerenti al corso (articolo selezionati su diversi argomenti sono caricati nella pagina e-learning oppure scelta personale). In alternativa si può presentare un approfondimento di un argomento a piacere tra quelli trattati durante il corso,
- domande aperte sugli altri argomenti trattati durante il corso
Riguardo alla graduazione del voto: La parte 1 contribuisce con un peso minore alla valutazione finale dello studente e non basta da sola per garantire il superamento dell'esame. Il voto finale tiene conto della capacità di rielaborazione personale dell'articolo esposto, della comprensione e dell'esposizione con proprietà di linguaggio degli argomenti trattati a lezione e della capacità di applicare le tecniche studiate alla soluzione di problematiche nel campo della biofisica.
per studenti Erasmus: è possibile svolgere la prova di esame in lingua inglese.
Orario di ricevimento
Su appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
The interaction between radiation (UV-VIS) and matter makes it possible to study soft matter, particularly biological systems with varying degrees of complexity."
The course "Elements of Biophotonics" has the purpose to introduce the student to the main spectroscopic techniques for investigating biosystems mainly in the UV-.VIS range of the electromagnetic spectrum.
Knowledge and Understanding
At the end of the course, the students will be familiar with the characteristics of the main biological macromolecules. They will understand the principles behind various investigative techniques, both theoretical and experimental, and will be able to identify the type of information that can be obtained from each technique for applications in the fields of biophysics and nanomedicine.
Applied Knowledge and Understanding
By the end of the course, the student will be able to:
Know the primary structure of proteins and nucleic acids
Decide which spectroscopic technique to use to determine the secondary or tertiary structure of a biological macromolecule
Solve simple problems in the field of biophysics
Independent Judgment
By the end of the course, the student will be able to:
Decide which spectroscopic technique is best suited to address a basic problem in biophysics
From a critical reading of a scientific article, identify the main results and the data collected
Communication Skills
Be able to present a scientific article in depth, using appropriate language and critically selecting the key findings.
Discuss topics covered in the course appropriately and critically.
Learning Skills
Be able to apply the knowledge acquired in practical settings (e.g., in a subsequent laboratory course) and potentially in other fields beyond biological soft matter.
Contents
Main features of the biological macromolecules
UV-VIS spectroscopy, out-of-resonance and in resonance mode,
Elements on fluorescence microscopy
Elements of thermodynamics for biological applications
Nanosystems for biomedical applications
Detailed program
The players: proteins, nucleic acids, cells, chromophores, nanomaterials. Structures and interactions.
Spectroscopic Techniques:
Quasi-elastic light scattering and elements of hydrodynamics. Some applications to biomolecules, molecular size characterization and aggregation studies.
Absorption spectroscopy. The Beer-Lambert law. Absorption coefficients. Effects of interaction among chromophores. Characteristic spectra of proteins (alpha helix, beta-sheets, random coils) and DNA. Conformational effects.
Circular dichroism. Principles of CD. Characteristic spectra of proteins (alpha helix, beta-sheets, random coils) and DNA. Conformational effects.
Fluorescence spectroscopy. Spontaneous emission coefficient. Definition of quantum yield, excited state lifetime. Excitation and emission spectra. Dependence from the fluorophore concentration. The intrinsic fluorescence of biomolecules. The most popular fluorescent probes. The class of “Fluorescent Proteins (GFP)”. Mechanisms of fluorescent quenching I: collisional quenching by Stern-Volmer, static quenching and their application to biomolecules. Mechanisms of fluorescent quenching II: the fluorescent energy transfer mechanism via Foerster theory. Applications. Solvent effects of fluorescence: bulk effects, Lippert-Mataga equation.
Elements of optical microscopy, confocal and non-linear excitation. Typical microscope setups. Image acquisition. Applications in biophysics (to cells, small organisms, in vivo applications)
Elements of Thermodynamics: Gibbs and Helmholtz free energy. Chemical potential, mass action law. Energy and binding kinetics. Cooperativity effects. The folding-unfolding process-
Multifunctional nanoparticles for biomedical applications and their interaction with radiation. Targeting mechanisms and cell internalization. Thermal effects in the medical field.
Prerequisites
Knowledge of the physics topics acquired in the courses of the first two years of the Bachelor degree in Physics course.
Teaching form
Traditional lessons ("Didattica erogativa"): Lessons in classroom with slides and blackboard. The slides are available on the e-learning platform, together with selected papers to specific topics.
Textbook and teaching resource
Slides loaded on the elearning platform.
The recorded lessons are available.
Selected papers for further infortmation
Reference textbooks::
1. Webb, Andrew; “Introduction to biomedical imaging”
2. Cantor, Charles R.; Schimmel, Paul R.; "Biophysical chemistry” [Comprende: The conformation of biological macromolecules 1 Techniques for the study of biological structure and function 2 The behavior of biological macromolecules 3]
When needed,new materials is made available and loaded on the e-learning platform.
Semester
I semester
Assessment method
the exam is oral and it will consist in:
-
A brief presentation of a scientific journal article related to topics covered in the course (articles on various subjects are available on the e-learning page, or students may choose one independently). Alternatively, a more in-depth presentation of a topic of choice among those covered during the course can be given.
-
Open-ended questions on the other topics discussed during the course.
Regarding the grading criteria: Part 1 carries less weight in the final evaluation and is not sufficient on its own to pass the exam. The final grade takes into account the student's ability to personally elaborate on the presented article, their understanding and use of appropriate language when discussing topics covered in class, and their ability to apply the techniques studied to solve problems in the field of biophysics.
For Erasmus students: it is possible to take the exam in English.
Office hours
By appointment.
Sustainable Development Goals
Staff
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Maddalena Collini
