Syllabus del corso
Obiettivi
L’insegnamento si propone di fornire agli studenti aspetti di biochimica utili alla comprensione di metodologie biotecnologiche avanzate in diversi campi di applicazione delle biotecnologie. Gli argomenti verranno trattati a livello intermedio, con enfasi da un lato su approcci volti all’ampliamento delle conoscenze molecolari e di sistema e dall’altro alla applicazione di metodologie consolidate che più si avvicinano a problematiche di tipo più marcatamente industriale con enfasi sulla ingegnerizzazione di proteine e sul drug discovery.
Conoscenza e capacità di comprensione.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà conoscere:
i principi alla base del traffico intracellulare delle proteine, alcuni concetti avanzati di enzimologia, della ingegnerizzazione di proteine ed enzimi ed i principi base della applicazione di enzimi in ambito industriale; i principi base della trasduzione del segnale e del ciclo cellulare in eucarioti; i principi base della interazione proteina-proteina e relativi metodi di studio; i principi base della systems biology (tecniche post-genomiche, approccio riduzionistico vs approccio sistemico).
Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite tanto alle problematiche scientifiche, metodologiche ed applicative studiate a lezione che in ambiti contigui non direttamente trattati nelle lezioni.
Autonomia di giudizio.
Lo studente dovrà essere in grado di identificare gli ambiti privilegiati di utilizzo delle metodologie affrontate. Le capacità critiche e di giudizio vengono implementate a diversi livelli che includono: esercitazioni e dimostrazioni al computer svolte in aula; presentzione e discussione di uno o più casi di studio oche partono dalla analisi delle proprietà biochimiche di proteine, passando per la loro ingegnerizazione struttura-guidata e/o evoluzione-guidata fino ad arrivare alla implementazione di proteine farmacologicamente attive o loro derivati utilizzabili in clinica o di enzimi utilizzabili in ambito industriale.
Abilità comunicative.
Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà esprimersi in modo appropriato nella descrizione delle tematiche affrontate con proprietà di linguaggio e sicurezza di esposizione.
Capacità di apprendimento
Alla fine dell'insegnamento lo studente saprà affrontare la letteratura biochimica di base ed applicata anche in vista della scelta della letteratura da studiare per la prova di tesi.
Contenuti sintetici
Maturazione e modificazioni post-traduzionali delle proteine.
Trasduzione del segnale.
Enzimologia molecolare.
Approcci sperimentali e computazionali alla determinazione della struttura tridimensionale delle proteine; ingegneria proteica.
Tecnologie post-genomiche.
Systems Biology.
Programma esteso
CAPITOLO 1
Maturazione e modificazioni post-traduzionali delle proteine: caratterizzazione strutturale, principali pathways in vivo e loro valenza applicative (ad esempio effetti della glicosilazione sulla antigenicità e stabilità delle proteine ricombinanti)
CAPITOLO 2
Trasduzione del segnale: definizione, esempi e potenzialità applicative
CAPITOLO 3
Principi fondamentali della determinazione della struttura tridimensionale delle proteine e panoramica delle principali tecniche sperimentali. Esplorazione e interrogazione del database Protein Data Bank (PDB). Utilizzo di software dedicati per la visualizzazione e l'analisi strutturale di proteine e altre biomolecole.
Introduzione ai metodi di allineamento delle sequenze proteiche. Generazione e analisi di allineamenti multipli di sequenza finalizzati all'identificazione di residui conservati, motivi funzionali e relazioni evolutive.
Struttura sperimentale e modello computazionale: differenze concettuali e applicative. Principi di base dei principali approcci computazionali per la predizione della struttura tridimensionale delle proteine, con particolare riferimento all'homology modelling e ai metodi basati sull'intelligenza artificiale. Generazione di modelli tridimensionali mediante tecniche di homology modelling e utilizzo di AlphaFold 3.
Valutazione e validazione dei modelli strutturali. Analisi delle principali metriche utilizzate per la stima della qualità dei modelli ottenuti, inclusi il punteggio pLDDT e i grafici di Ramachandran.
CAPITOLO 4
Enzimi: meccanismi di reazione, specificità, regolazione, parametri di rilevanza nella biocatalisi. Ingegnerizzazione, immobilizzazione ed applicazioni di proteine ricombinanti per uso industriali.
CAPITOLO 5
Aspetti introduttivi alle tecnologie "omiche", loro ruolo nella dissezione molecolare di pathways e nel drug discovery. Gli argomenti verrano introdotti tramite esempi, focalizzandosi su limiti e possibilità delle varie metodologie. In particolare verrà evidenziato come il contesto di applicazione vari drammaticamente lo scopo e le metodologie di analisi dei dati "omici".
CAPITOLO 6
Elementi di systems biology: generalità e potenziali utilizzi (in particolare nel processo di drug discovery) e nello sviluppo di filiere di produzione responsabile che utilizzano i microorganismi ingegnerizzati.
CAPITOLO 7
La biochimica e le scienze molecolari nel mondo del lavoro: dalla scienza di base alla ricerca e sviluppo nelle biotecnologie e nel settore sanitario.
Prerequisiti
Prerequisiti: concetti e metodologie di biochimica, biologia molecolare di base, metodologie biochimiche e tecnologie biomolecolari.
Propedeuticità specifiche: Biochimica.
Propedeuticità generali: Lo studente può sostenere gli esami del terzo anno dopo aver superato tutti gli esami del primo anno di corso.
Modalità didattica
59 ore totali divise in ventinove lezioni da 2 ore ed una lezione da 1 ora costituite da:
• 24 lezioni in modalità erogativa (didattica erogativa, DE) focalizzata sulla presentazione-illustrazione dicontenuti, concetti, principi scientifici;
• la parte restante (5 lezioni) in modalità interattiva (didattica interattiva, DI), che prevede la presentazione e l’uso di tools bioinformatici rivolti allo studio della struttura tridimensionale delle proteine anche in un contesto di ingegneria proteica;
• fino ad un massimo di 5 lezioni potranno essere svolte da remoto in modalità asincrona.
Linguaggio: italiano
Materiale didattico
Il materiale presentato durante le lezioni (slide e articoli scientifici discussi in classe) è disponibile sulla piattaforma e-learning dell'insegnamento.
Saranno rese disponibili le videoregistrazioni delle lezioni
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Scritto + Orale.
L’esame scritto si svolge in un’aula informatica e consiste in:
Parte A = 30 domande a risposte multiple (punteggio max totale =150, punteggio soglia A= 75);
Parte B= 2 definizioni, 2 problemi, 3 risposte aperte, punteggio max totale =180, punteggio soglia B =90).
All’esame orale accedono:
gli studenti che nello scritto hanno raggiunto o superato entrambe le soglie
oppure
gli studenti che pur avendo superato una sola delle due soglie hanno totalizzato un punteggio totale maggiore o uguale a 180
L'esame verificherà l'acquisizione dei concetti di base e delle metodologie esposte, valutando la capacità dello studente di applicarle a problemi diversi, non necessariamente affrontate a lezione
Orario di ricevimento
Ricevimento: su appuntamento, previa richiesta per email al docente.
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to provide students with biochemical aspects useful for the understanding of advanced biotechnological methodologies in different fields of application of biotechnology. The topics will be dealt with at an intermediate level, with emphasis on one side on approaches to the expansion of molecular and system knowledge and on the other end the application of consolidated methodologies that are closer to more markedly industrial problems with emphasis on the engineering of proteins and on drug discovery.
Knowledge and understanding.
At the end of the course the student must know and understand:
the principles underlying intracellular protein trafficking, some advanced concepts of enzymology, of the engineering of proteins and enzymes and the basic principles of the application of enzymes in industry; the basic principles of signal transduction and cell cycle in eukaryotes; the basic principles of protein-protein interaction and related study methods; the basic principles of systems biology (post-genomic techniques, reductionist approach vs systemic approach)
Ability to apply knowledge and understanding.
At the end of the course the student must be able to apply the acquired knowledge to the scientific, methodological and applicative problems studied in class and in contiguous areas not directly treated in the lessons.
Making judgments
The student must be able to identify the privileged areas of use of the methodologies addressed. The critical and judgment skills are implemented at different levels that include: exercises and computer demonstrations carried out in the classroom; presentation and discussion of one or more case studies that start from the analysis of the biochemical properties of proteins, pass through their structure-guided and/or evolution-guided engineering up to the implementation of pharmacologically active molecules or derivatives thereof usable in the clinic or enzymes usable in the industrial field.
Communication skills.
At the end of the course the student will be able to express himself appropriately in the description of the topics addressed with proper language.
Learning skills
At the end of the course the student will be able to read and understand at a basic level, literature pure and applied biochemistry, also in view of the choice of the literature to be studied for the thesis preparation.
Contents
Maturation and post-translational modifications of proteins.
Signal transduction.
Molecular enzymology.
Experimental and computational approaches to the determination of protein three-dimensional structure; Protein Engineering.
Post-genomic technologies.
Systems Biology.
Detailed program
CHAPTER 1
Post-translational maturation and modification of proteins: structural characterization, main pathways in vivo and their application valence (for example, effects of glycosylation on the antigenicity and stability of the recombinant proteins)
CHAPTER 2
Signal transduction: definition, examples and potential applications
CHAPTER 4
Principles of protein three-dimensional structure determination and overview of the main experimental techniques. Exploration of the Protein Data Bank (PDB). Use of dedicated software tools for the visualization and structural analysis of proteins and other biomolecules.
Introduction to protein sequence alignment methods. Generation and analysis of multiple sequence alignments aimed at identifying conserved residues, functional motifs, and evolutionary relationships.
Experimental structure versus computational model: conceptual and practical differences. Basic principles of the main computational approaches for protein three-dimensional structure prediction, with particular emphasis on homology modelling and artificial intelligence-based methods. Generation of three-dimensional protein models using homology modelling techniques and AlphaFold 3.
Assessment and validation of structural models. Analysis of the main metrics used to estimate model quality, including the pLDDT score and Ramachandran plots.
CHAPTER 4
Enzymes: reaction mechanisms, specificity, regulation, parameters of relevance in biocatalysis. Engineering, immobilization and applications of recombinant proteins for industrial use.
CHAPTER 5
Introductory aspects to "omics" technologies, their role in the molecular dissection of pathways and in drug discovery. Topics will be introduced through examples, focusing on the limits and possibilities of the various methodologies. In particular, it will be highlighted how the context of application dramatically varies the purpose and methods of analyzing the "omics" data.
CHAPTER 6
Elements of systems biology: generalities and potential uses (in particular in the drug discovery process and in the development of resposable production chains using enginereed enzymes or microrganisms.
CHAPTER 7
Biochemistry and molecular science in the world of work from basic science to research and development in Biotechnology and the Health world.
Prerequisites
Background: concepts and methodologies of biochemistry, basics of molecular biology, biomolecular and biochemical methods.
Specific prerequisites: Biochemistry.
General prerequisites: Students can take the exams of the third year after having passed all the exams of the first year of the course.
Teaching form
59 total hours divided into twenty-nine 2-hour lessons and one 1-hour lesson consisting of:
• 24 lessons in delivery mode (delivery teaching, DE) focused on the presentation-illustration of contents, concepts, scientific principles;
• the remaining part (5 lessons) in interactive mode (interactive teaching, DI), which includes the presentation and use of bioinformatics tools aimed at studying the three-dimensional structure of proteins also in a protein engineering context;
• up to a maximum of 5 lessons can be held remotely in asynchronous mode.
Teaching language: italian.
Textbook and teaching resource
Learning material (slides of the lessons, scientific articles) is available at the e-learning platform of the course. Book chapters will be suggested in class.
Video recording of the lessons will be made available
Semester
First semester
Assessment method
Written + Oral
The written exam takes place in a computer lab. It consists of:
Part A = 30 multiple choice questions (total max score = 150, threshold score A = 75);
Part B = 2 definitions, 2 problems, 3 open answers, total max score = 180, threshold score B = 90).
The oral exam will be open to:
students who reached or exceeded both thresholds in the written exam
or
the students who, despite having reached or exceeded only one of the two thresholds, reached a total score greater than or equal to 180
The exam will verify the acquisition of the basic concepts and methodologies exposed, evaluating the student's ability to apply them to different problems, not necessarily addressed in class
Office hours
Contact: on demand, upon request by e-mail to lecturer.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Marco Mangiagalli
-
Marco Ercole Vanoni
