EXPERIMENTAL BIOPHYSICS

L’insegnamento è una delle attività formative obbligatorie del Corso di Laurea Magistrale in Engineering Physics, curriculum Physics of the Brain, e consente allo studente di acquisire la conoscenza e la comprensione dei concetti fondamentali e applicativi della biofisica sperimentale.

1. Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine del corso lo/la studente/essa deve dimostrare di aver acquisito I principi fondamentali della biofisica con particolare riferimento alla biofisica molecolare, alla biofisica delle membrane cellulari e alla biomeccanica cellulare. Deve inoltre conoscere aspetti qualitativi e quantitativi delle tecniche sperimentali utilizzate in questi campi, come Microscopia a Forza Atomica, Pinzette Ottiche, Magnetiche e Acustiche, Microscopia Elettronica, Vibrazionale, Microscopia ottica a super-risoluzione e Diffrazione e Scattering di raggi X.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine del corso lo/la studente/essa deve saper applicare le conoscenze acquisite al punto D1 per ipotizzare esperimenti di biofisica con le tecniche introdotte, discutere ed analizzare in dettaglio dati sperimentali che verranno forniti al fine di interpretare in autonomia i risultati degli esperimenti. Deve conoscere le regole statistiche di interpretazione di risultati biologici e saper applicare i test di significatività ai dati.

3. Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo/la studente/essa saprà giudicare i metodi sperimentali trattati nei contesti diversi, giudicare quale sia più appropriato ad esempio a studiare proprietà meccaniche di sistemi biologici a diversa rigidità, dimensione e corrugazione, e saprà valutare in modo critico gli articoli di letteratura su questi argomenti che verranno proposti.

4. Abilità comunicative
Al termine del corso lo/la studente/essa deve dimostrare di aver acquisito I concetti di base di cui al punto D1, nonchè un linguaggio appropriato per discutere con precisione diversi argomenti di biofisica. Deve saper giudicare in modo critico e propositivo gli argomenti trattati nel corso.

5. Capacità di apprendimento
Al termine del corso lo/la studente/essa deve essere in grado di mostrare un adeguato livello di approfondimento degli argomenti trattati, di saper leggere con senso critico lavori pubblicati su riviste specializzate del campo, e di valutare le tecniche proposte, su determinati sistemi, in modo comparato, valorizzando la parte quantitativa degli esperimenti.

Non è richiesto agli studenti alcun corso propedeutico. La conoscenza di concetti di base di meccanica dei solidi e di meccanica statistica potrebbe essere altresì un vantaggio.

Dalle forze inter-molecolari alla meccano biologia; una introduzione alla biofisica sperimentale. Come suggerisce questo sottotitolo, il corso vuole introdurre gli studenti a concetti, formalismi, metodologie e strumentazioni prettamente fisici che trovano utili applicazioni in biologia e medicina.

Il corso è suddiviso in due parti. Nella prima, dopo una essenziale introduzione ai concetti fondamentali della biologia molecolare, verranno descritte le strutture e il funzionamento di proteine e acidi nucleici con cenni di fisica dei biopolimeri; le forze intermolecolari ed i processi di self-assembling, fibrillazione e folding; ed infine le interazioni tra proteine e legandi ed il bio-riconoscimento molecolare.

Nella seconda parte il corso, dopo un rapido ripasso dei principali concetti di meccanica dei solidi, dinamica dei fluidi e meccanica statistica, si concentra sui principali aspetti della meccanica molecolare, della membrana cellulare e della intera cellula descrivendo infine i fenomeni di adesione, migrazione e meccanostrsduzione che regolano molte delle funzioni vitali a livello cellulare e degli organismi superiori.

Gli argomenti trattati verranno illustrati con esempi di esprimenti tratti dalla letteratura e dalle attività dirette dei docenti; con l’occasione verranno illustrate nel dettaglio le moderne tecniche sperimentali applicate alla biofisica. Al termine del corso è prevista una visita presso i laboratori di Basovizza dove gli studenti potranno svolegere un esperimento concordato con i docenti.

Parte prima – fondamenti di biofisica molecolare
1. Introduzione alla biofisica cellulare e biomolecole. Self-assembling e forze intermolecolari (2h)
2. Proteine: struttura forma e funzione. Il problema del folding. Fibre di proteine, proteine di membrana (2h)
3. Acidi Nucleici: struttura, trasmissione dell’informazione genetica, cenni di ingegneria genetica; altri biopolimeri (4h)
4. Struttura e trasporto in membrana cellulare. Ioni in soluzione acquosa, trasporto di ioni e molecole attraverso la membrana. Formazione di vescicole extracellulari. Cell signaling (2h)
5. Tecniche per lo studio di struttura/funzione di macromolecole (4h):
Spettroscopie ottiche (fluorescenza, IR, Raman)
Cristallografia con raggi X
Electron Microscopy
NMR
6. Interazioni proteina-ligando all’equilibrio; cinetica biochimica; tecniche utilizzate (Surface plasmon resonance, calorimetria) (2h)
7. Biosensori (2h)
8. Studi di interazione a livello di singola molecole e tecniche relative (FRET, Foster Resonant Energy Transfer, Atomic Force Microscopy, Optical Tweezers, Coherent X-ray diffraction(2h)

Parte seconda – meccanica cellulare e meccanobiologia
1. Introduzione (2h)
2. Principi fisici (8h)
2.1. Forze meccaniche e viscoelasticità a livello molecolare e cellulare
2.2. Forze termiche e diffusione
2.3. Forze chimiche
2.4. Motori proteici (tipi e principi di funzionamento)
3. Meccanica del citoscheletro (4h)
3.1. Struttura del citoscheletro
3.2. Forze generate dal citoscheletro e motilità cellulare
4. Mecanotrasduzione cellulare (2h)
5. 5. Tecniche sperimentali per meccanica cellulare (6h)
5.1. Overview su tecniche di applicazione di forza e misura di forza
5.2. Optical Tweezers – spettroscopia di forza e manipolazione
5.3. Magnetic and Acoustic Tweezers
5.4. Advanced Optical Microscopy techniques (Super-Resolution, FRET, DHM)

Parte terza – esperienza di laboratorio in piccoli gruppi (4-8h)

1. J. Howard, Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton, Sinauer Associates Inc., 2001
2. B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, and P. Walter, Molecular Biology of the Cell, 4th edition, New York: Garland Science; 2002.
3. D. Boal, Mechanics of the Cell, Cambridge Univ. Press, 2012
4. C.R. Jacobs, H. Huang, R. Y. Kwon, Introduction to Cell Mechanics and Mechanobiology, Garland Science Taylor & Francis, 2013.
5. J.N. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, Elsevier, Third edition 2011.
6. Scientific articles – pdf collection; cited with the slides associated to the lectures.
7. Slides presentation for the lectures, pdf.

Esame orale
-Eccellente (30 -30 e lode): ottima conoscenza degli argomenti, ottima proprietà di linguaggio, ottima capacità analitica; lo/la studente/essa è in grado di applicare     brillantemente le conoscenze teoriche a casi concreti.
-Molto buono (27 -29): buona conoscenza degli argomenti, notevole proprietà di linguaggio, buona capacità analitica; lo/la studente/essa è in grado di applicare correttamente le conoscenze teoriche a casi concreti.
-Buono (24-26): buona conoscenza dei principali argomenti, discreta proprietà di linguaggio; lo/la studente/essa mostra una adeguata capacità di applicare le conoscenze teoriche a casi concreti.
-Soddisfacente (21-23): lo/la studente/essa non mostra piena padronanza degli argomenti
principali dell'insegnamento, pur possedendone le conoscenze fondamentali; mostra comunque soddisfacente proprietà di linguaggio e sufficiente capacità di applicare le conoscenze teoriche a casi concreti.
-Sufficiente (18-20): minima conoscenza degli argomenti principali dell'insegnamento e del
linguaggio tecnico, limitata capacità di applicare in modo adeguato le conoscenze teoriche a casi concreti.
-Insufficiente (<18): lo/la studente/essa non possiede una conoscenza accettabile dei contenuti dei diversi argomenti del programma.

Lezioni frontali ed esperienze di laboratorio sotto la guida dei docenti

Inglese

orale