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Percorso della pagina
  1. Science
  2. Master Degree
  3. Biotecnologie Industriali [F0803Q - F0802Q]
  4. Courses
  5. A.A. 2025-2026
  6. 1st year
  1. Systems Biochemistry
  2. Summary
Insegnamento Course full name
Systems Biochemistry
Course ID number
2526-1-F0803Q069
Course summary SYLLABUS

Course Syllabus

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Obiettivi

Affrontare lo studio della cellula come sistema complesso, la cui comprensione richiede un approccio multidisciplinare in cui le tecniche di biochimica e biologia cellulare e molecolare vengono integrate da metodologie bio-informatiche e di simulazione computazionale di modelli matematici.
Tale approccio consente di affrontare i processi biologi fondamentali in termini integrati, fornendo al ricercatore strumenti, non solo per mettere alla prova con rigore quantitativo le conoscenze acquisite, ma anche per modificare il comportamento dei sistemi cellulari in studio, ad esempio per:
(i)identificare, sviluppare ed ingegnerizzare microrganismi capaci di effettuare biotrasformazioni biotecnologiche innovative ed eco-compatibili;
(ii) sviluppare repliche in silico di singoli individui (Digital Twins) e identificare il trattamento farmacologico personalizzato più adatto per ogni singolo paziente.
Il corso consente di integrare e mettere nell'appropriato contesto biotecnologico, molti dei concetti illutrart nel corsi di bioinformatica offerti nella laurea magistrale in Biotcnologie Industriali

  1. Conoscenza e capacità di comprensione.
    Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà conoscere le possibilità offerte dalla integrazione delle tecnologie sperimentali anche post-genomiche e computazionali, tanto nell’ambito della ricerca di base che nella loro applicazione in ambito diagnostico e terapeutico o nelle biotrasformazioni biotecnologiche innovative.
  2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
    Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite al punto 1 a problematiche scientifiche, metodologiche ed applicative diverse rispetto a quelle esplicitamente trattate a lezione
  3. Autonomia di giudizio.
    Lo studente dovrà essere in grado di rielaborare i principi e metodologie apprese, in primo luogo per consultare la letteratura così da aggiornare le proprie competenze prima che queste diventino obsolete ed in secondo luogo per identificarne gli ambiti privilegiati di utilizzo. Lo studente avrà immediatamente e direttamente modo di applicare i concetti appresi a casi di studio ed articoli scientifici oraiglinali che dovrà presentare agli altri studenti sotto forma di Journal Club, come discusso in maggior dettaglio nel capitolo relativo alla modalità didattica
  4. Abilità comunicative.
    Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà esprimersi in modo appropriato in italiano (per studenti di madre lingua italiana) ed inglese (per tutti gli studenti) nella descrizione delle tematiche affrontate con proprietà di linguaggio e sicurezza di esposizione.
  5. Capacità di apprendimento
    Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà analizzare, applicare, integrare e collegare le conoscenze acquisite – e successivamente maturate con la consultazione della letteratura - con quanto appreso in insegnamenti correlati, al fine di risolvere problemi scientifici tanto nella biochimica di base che applicata.

Contenuti sintetici

La funzionalità delle (macro)molecole biologiche verrà analizzata nel contesto della interazione tra molecole. Saranno esaminati alcuni circuiti regolativi cellulari (ad esempio reti di trascrizione, reti metaboliche, crescita e ciclo cellulare) al fine di evidenziare alcune caratteristiche chiave dei circuiti regolativi cellulari, in termini conoscitivi ed applicativi. La maggior parte degli argomenti verrano trattati mediante analisi di specifici casi di studio. Uno o più dei casi di studio verranno trattati anche nel corso di Analisi Qualitativa e Quantitativa dei Sistemi Biologici che fornirà un approfondimento complementare degli aspetti computazionali, modellistici, bioinformatici e sistemistici.

Programma esteso

Il programma verrà concordato e potrà essere parzialmnmente modificato in accordo con gli interessi degli studenti
I. Systems Biology: Introduzione e concetti di base.
Il concetto di sistema: le proprietà emergenti
Approcci top-down e bottom-up alla ricostruzione di un sistema biologico
Reti biologiche e loro proprietà (Robustezza, fragilità, essenzialità)

II. La systems metabolomics come paradigma e chiave interpretativa dei comportamenti cellulari

III. Il concetto di modulo: ricostruzione modulare ed interconnessione di modelli matematici a diversa risoluzione per ricostruire in modo esaustivo ed integrato tutte le funzionalità di una cellula

IV. Disassemblare e ricostruire la complessità inter- cellulare: scRNASeq ed analisi di immagine quantitativa ad alta processività

V. Biotrasformazioni, economia circolare e green economy nel contesto di produzioni sostenibili e di circolarità di filiera

VI. Malattie multi-fattoriali: modelli cellulari avanzati e Digital Twins

Prerequisiti

Il corso si basa su concetti e metodologie esposte nei corsi di Biochimica e Biologia Molecolare di base. In particolare, è richiesta la conoscenza degli elementi di base della biochimica cellulare di procarioti ed eucarioti (metabolismo, trasduzione del segnale e ciclo cellulare) e della enzimologia. È apprezzata qualche conoscenza di base in ambito statistico

Modalità didattica

21 lezioni da 2 ore costituite da:

  • una parte (6-8 lezioni) in modalità erogativa (didattica erogativa, DE) focalizzata sulla presentazione-illustrazione di contenuti, concetti, principi scientifici

  • la parte restante - massimo 15 lezioni- in modalità interattiva (didattica interattiva, DI), che prevede:

    • Discussione interattiva di articoli scientifici a cura dei corsisti;
    • presentazione di articoli scientifici in modalità simili alla presentazione di dati ad un congresso scientifico (relazione orale =journal Club o Poster;
    • 1 CFU (7 ore di lezione) svolte in modalità interattiva in co-presenza con il docente di Analisi Qualitativa e Quantitativa di Sistemi Biologici (Prof. Pasquale Palumbo) e con la Prof.ssa Damiani per trattare insieme due casi di studio. Tale approccio didattico consentirà di presentare ed esaminare da punti di vista complementari pathways, funzioni e sistemi biologici visti con l’occhio del biologo e del modellista computazionale.
  • Tutte le attività sono svolte in presenza

Linguaggio: Italiano, può essere modificato a Inglese su richiesta di studenti stranieri

Materiale didattico

I concetti di base della Systems Biology sono presentati nel testo:
Lilia Alberghina: Per Comprendere la Complessità Biologica – Licosia Editore
Articoli specialistici e di rassegna e capitoli di libro verranno consigliati a lezione
Verranno fornite le videoregistrazioni delle lezioni
Verranno fornite le diapositive e gli articoli presentati a lezione

Periodo di erogazione dell'insegnamento

Secondo semestre

Modalità di verifica del profitto e valutazione

Non sono previsti compiti in itinere;

L'esame è orale e verificherà l'acquisizione dei concetti di base della biologia dei sistemi e della loro applicazione, con particolare attenzione all'integrazione di strumenti computazionali e sperimentali, anche mediante discussione approfondita di articoli specifici scelti in accordo con gli studenti prima dell’esame

Orario di ricevimento

Telefonico o previo appuntamento via mail

Sustainable Development Goals

SALUTE E BENESSERE | ISTRUZIONE DI QUALITÁ | CONSUMO E PRODUZIONE RESPONSABILI
Export

Aims

Tackling the study of the cell as a complex system, whose understanding requires a multidisciplinary approach in which biochemistry and cellular and molecular biology techniques are integrated by bio-informatics and computational simulation of mathematical models.

This approach allows to address the fundamental biological processes in integrated terms, providing the researcher with tools, not only to test the acquired knowledge with quantitative rigor, but also to modify the behavior of the cellular systems under study, for example for:

(i)identify, develop and engineer microorganisms capable of carrying out innovative and eco-friendly biotechnological biotransformations;

(ii) develop in silico replicas of single individuals (Digital Twins) and identify the most suitable personalized drug treatment for each single patient

The course allows to integrate and put in the appropriate biotechnological context, many of the concepts illustrated in the bioinformatics courses offered in the master's degree in Industrial Biotechnology

1. Knowledge and understanding. At the end of the course the student must know the possibilities offered by the integration of computational an experimental technologies (including post-genomic approaches) both in the context of basic research and in their application in diagnostic and therapeutic fields or in innovative biotechnological biotransformations.

2. Applying knowledge and understanding. At the end of the course the student must be able to apply the knowledge acquired in point 1 to scientific, methodological and application problems different from those explicitly dealt with in class

3. Making judgment. The student must be able to rework the principles and methodologies learned, firstly to consult the literature so as to update his/her skills before they become obsolete and secondly to identify the privileged areas of use. The student will have an immediate and direct way to apply the concepts learned to case studies and oral scientific articles that he/she will have to present to the other students in the form of a Journal Club, as discussed in greater detail in the chapter on the teaching method
4. Communication skills. At the end of the course the student will be able to express himself appropriately in Italian (for students of Italian mother tongue) and English (for all students) in the description of the topics addressed with proper language.

5. Learning skills At the end of the course the student will be able to analyze, apply, integrate and connect the knowledge acquired –in the lectures and subsequently gained through the consultation of the literature - with what he/she has learned in related teachings, in order to solve scientific problems both in basic and applied biochemistry.

Contents

The functionality of (macro) biological molecules will be analyzed in the context of the interaction between molecules. Some cellular regulatory circuits (for instance transcriptional and metabolic networks, growth and cell cycle) will be examined in order to highlight some key characteristics of cellular regulatory circuits, in cognitive and applicative terms. Most topics will be analyzed through multidisciplinary analysis of specific case studies. One or more of the case studies will also be anlyzed in the course Analisi Qualitativa e Quantitativa dei Sistemi Biologici with a complementary computational, modeling, bioformatic and systemic perspective

Detailed program

The program will be agreed upon and can be partially modified according to the students' interests.
I. Systems Biology; Introduction and basic concepts
The concept of system: emerging properties
Top-down and bottom-up approaches to computational reconstruction od biological system
Biological networks and their properties (Robustness, fragility, essentiality)

II. Systems metabolomics as a paradigm and interpretative key of cell behaviors

III. The concept of module: modular reconstruction and interconnection of mathematical models with different resolution to comprehensively and integratively reconstruct all functions of a cell

IV. Disassemble and reconstruct inter-cellular complexity: scRNASeq and quantitative high processivity image analysis

V. Biotransformations, circular economy and green economy also in the context of sustainable and circular production chains

VI. Multifactorial diseases: advanced cellular models and Digital Twins

Prerequisites

The course is based on concepts and methodologies exposed in the basic Biochemistry and Molecular Biology courses. In particular, knowledge of the basic elements of prokaryotic and eukaryotic cell biochemistry (metabolism, signal transduction and cell cycle) and enzymology is required. Some basic statistical knowledge is appreciated

Teaching form

21 2-hour lessons consisting of:

  • one part (6-8 lessons) in delivery mode (delivery teaching, DE) focused on the presentation-illustration of contents, concepts, scientific principles

  • the remaining part - maximum 15 lessons - in interactive mode (interactive teaching, DI), which includes:

    • Interactive discussion of scientific articles by the students;
    • presentation of scientific articles in a manner similar to the presentation of data at a scientific congress (oral report = journal Club or Poster);
      • 1 CFU (7 hours of lessons) carried out in interactive mode in co-presence with the teacher of Analisi Qualitativa e Quantitativa di Sistemi Biologici (Prof. Pasquale Palumbo) and with Prof. Damiani to deal with a case study together. This educational approach will allow the presentation and examination of biological pathways, functions and systems from complementary points of view, seen with the eye of the biologist and the computational modeller.
  • All activities are conveyed by means of face-to-face lectures

Language: Italian, can be changed to English upon request of foreign students

Textbook and teaching resource

Basic concepts of System Biology are presentyed in :
Lilia Alberghina: Per Comprendere la Complessità Biologica – Licosia Editore
Original research, review articles and book chapters will be suggested in class
Video recordings of each lesson, slides and papers discussed in the classroom will be provided

Semester

Second semester

Assessment method

There are no exams in itinere; The exam is oral and will verify the acquisition of the basic concepts of systems biology and their application, with particular attention to the integration of computational and experimental tools, also through in-depth discussion of specific articles chosen in agreement with the students before the exam

Office hours

By telephone or e-mail appointment

Sustainable Development Goals

GOOD HEALTH AND WELL-BEING | QUALITY EDUCATION | RESPONSIBLE CONSUMPTION AND PRODUCTION
Enter

Key information

Field of research
BIO/10
ECTS
6
Term
Second semester
Activity type
Mandatory to be chosen
Course Length (Hours)
42
Degree Course Type
2-year Master Degreee
Language
Italian

Staff

    Teacher

  • MV
    Marco Ercole Vanoni

Students' opinion

View previous A.Y. opinion

Bibliography

Find the books for this course in the Library

Enrolment methods

Manual enrolments

Sustainable Development Goals

GOOD HEALTH AND WELL-BEING - Ensure healthy lives and promote well-being for all at all ages
GOOD HEALTH AND WELL-BEING
QUALITY EDUCATION - Ensure inclusive and equitable quality education and promote lifelong learning opportunities for all
QUALITY EDUCATION
RESPONSIBLE CONSUMPTION AND PRODUCTION - Ensure sustainable consumption and production patterns
RESPONSIBLE CONSUMPTION AND PRODUCTION

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