MICROBIOLOGY

Questo corso è rivolto a studenti non biologici per apprendere nozioni di microbiologia e delle sue applicazioni. Sebbene relativamente semplici e primitivi, i microrganismi sono considerati la forma di vita di maggior successo. Sono praticamente ovunque e indispensabili per la vita sulla Terra. I microrganismi influenzano profondamente il mondo in cui viviamo: sono essenziali per mantenere l'equilibrio di ogni ecosistema, vivono in simbiosi con piante e animali, sono fondamentali per la fermentazione degli alimenti, svolgono un ruolo importante in diverse applicazioni industriali, nella depurazione delle acque e nella biorisanamento ambientale. Alcuni di loro sono patogeni e quindi pericolosi per piante, animali e esseri umani. Per queste ragioni diventa importante studiarli e conoscere i loro meccanismi cellulari, molecolari e metabolici. Durante il corso verranno indagate le nuove scoperte in microbiologia e i meccanismi microbici utilizzati nelle applicazioni biotecnologiche e nanotecnologiche

Il principale obiettivo del corso è fornire agli studenti i concetti necessari per comprendere i meccanismi strutturali, funzionali e molecolari all'interno del mondo microbico, così come le principali applicazioni biotecnologiche e nanotecnologiche che impattano la società umana e l'ambiente. Alla fine del corso, gli studenti saranno in grado di:

-Comprendere i concetti fondamentali della microbiologia e l'importanza dei microrganismi;
-Descrivere la diversità metabolica dei procarioti e come questi organismi ottengono energia, elettroni e carbonio dall'ambiente;
-Descrivere i meccanismi di biologia molecolare dei microrganismi;
-Discutere le principali opzioni per il controllo della crescita microbica in vitro e in vivo;
-Avere una buona comprensione delle procedure comuni e di ultima generazione nei laboratori di microbiologia, inclusi l'isolamento e la purificazione batterica e l'identificazione batterica basata su strumenti biochimici, molecolari e di sequenziamento;
-Valutare i potenziali benefici e danni causati dai microrganismi;
-Conoscere gli strumenti microbici per nuove applicazioni in biotecnologia e nanotecnologia;
-Presentare e discutere dati scientifici utilizzando e applicando il linguaggio specializzato della microbiologia

Non sono richiesti prerequisiti per questo corso, ma si raccomanda che gli studenti abbiano una conoscenza di base di chimica organica e biochimica

1. BIOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE DEI MICRORGANISMI
a. Importanza dello studio dei microrganismi. Struttura cellulare: procarioti vs eucarioti; morfologia batterica; membrana citoplasmatica: struttura e funzioni; parete batterica: struttura di Gram+ e Gram-, peptidoglicano e LPS; sintesi della parete cellulare e divisione cellulare.
b. Strutture superficiali della cellula: capsule e strati mucosi, fimbrie e pili. Inclusioni cellulari; vescicole gassose; endospore: struttura e ciclo di sporulazione.
c. Locomozione microbica: Flagelli e motilità; motilità strisciante; tassie microbiche: chemiotassi, fototassi.
d. DNA microbico, replicazione, trascrizione e traduzione batterica; mutazioni; trasferimento genico nei batteri; ricombinazione genica; trasformazione; trasduzione; coniugazione; trasposoni; CRISPR.

2. DIVERSITÀ DEL METABOLISMO MICROBICO. Macro e micronutrienti; trasporto cellulare; classificazione energetica dei microrganismi; principi di bioenergetica;
Catabolismo: glicolisi e fermentazione; respirazione: cicli dell’acido citrico e del glicossilato, trasportatori di elettroni; trasporto di elettroni e forza proton-motrice.
Anabolismo: biosintesi dei polisaccaridi e gluconeogenesi; amminoacidi-nucleotidi, lipidi.
Autotrofia: ciclo di Calvin e altri percorsi di fissazione della CO2; fototrofia; fissazione dell’azoto; ossidazione dell’idrogeno; ossidazione di ferro e zolfo; nitrificazione; riduzione dei nitrati e denitrificazione; riduzione dello zolfo; metabolismo dei composti a 1 carbonio; acetogenesi e metanogenesi, fermentazioni.

3. CRESCITA MICROBICA. Nutrienti; microbiologia classica: tecniche di coltivazione e conteggio microbico; divisione binaria e ciclo di crescita microbica; coltura continua; effetti ambientali sulla crescita microbica: temperatura, pH, pressione osmotica e ossigeno; controllo della crescita microbica: calore, agenti chimici e fisici; resistenza agli antibiotici.

4. COMPORTAMENTI SOCIALI DEI BATTERI. Fasi della formazione del biofilm; diversi tipi di biofilm; la matrice del biofilm; la matrice come sistema digestivo comune esterno; eterogeneità nel biofilm; interazioni sociali batteriche; cooperazione e competizione batterica; tolleranza e resistenza agli antimicrobici; adesione del biofilm alle superfici; biofilm.

5. MICROBIOMA UMANO. Composizione del microbioma; diversità dei microbiomi umani; il ruolo centrale del microbioma intestinale; coevoluzione microbioma-ospite; microbioma in salute e malattie; asse microbioma-intestino-ospite; intervento sul microbioma per una medicina personalizzata

6. COMUNICAZIONE BATTERICA. Quorum sensing; tipi di sistemi di quorum sensing; comunicazione cellula-cellula; comunicazione intra e inter batterica.

7. TECNICHE AVANZATE MICROBICHE. FISH, citometria a flusso, sequenziamento dell'rRNA 16S, metagenomica shotgun, sequenziamento a singola cellula, parametri ecologici.

8. INGEGNERIA BATTERICA. Produzione di biocarburanti, celle a combustibile microbiche, progettazione di materiali attraverso la biologia sintetica; approcci bottom-up per singole cellule e comunità microbiche.

9. Journal club: gli studenti presenteranno articoli di ricerca nel campo della microbiologia relativi a nuove scoperte nel microbioma umano, sequenziamento a singola cellula, vescicole della membrana esterna, ingegneria dei biocarburanti, cellule batteriche sintetiche, biorisanamento.

Madigan M.T., Bender K.S., Buckley D.A., Sattley W.M, Stahl D.A. Brock, Biology of Microorganisms, 16th Edition. ISBN-13: 9781292404790.

Il docente fornirà inoltre articoli scientifici e recensioni pubblicati su riviste peer-reviewed riguardanti i temi trattati nel corso.

La valutazione della parte pratica di microbiologia sarà svolta in classe con domande a scelta multipla ed esercizi di microbiologia. Il test di laboratorio viene valutato su base superato/non superato, e il superamento è essenziale per poter accedere all'esame orale.
L'esame orale è suddiviso in due parti. La prima parte consiste nella presentazione di un articolo di ricerca in gruppi di lavoro in classe su recenti scoperte in microbiologia, che vale il 30% del totale dei punti del corso. La seconda parte consiste in almeno tre domande aperte su tutti gli argomenti trattati durante il corso, che vale il 70%.

Un esame completamente riuscito (27-30/30) sarà considerato tale quando verrà dimostrata una solida e ampia padronanza dei concetti discussi durante le lezioni e i journal clubs. Un voto medio (22-26/30) sarà il risultato di una comprensione abbastanza completa di singoli temi ma con limitate interconnessioni tra gli argomenti. Un livello di sufficienza (18-21/30) corrisponderà a una conoscenza minima delle singole nozioni.

orale

L'insegnamento sarà organizzato in lezioni che copriranno diversi aspetti della microbiologia. Le lezioni saranno supportate da sessioni di laboratorio che aiuteranno a illustrare i concetti pratici. Le lezioni saranno interattive e gli studenti saranno incoraggiati a discutere le loro osservazioni e i loro punti di vista sui concetti teorici e pratici del corso. Durante il corso si terranno le sessioni del journal club su argomenti trattati nelle lezioni, per aiutare gli studenti a migliorare le loro competenze nella comunicazione scientifica e nel lessico microbiologico. Gli esercizi di laboratorio consisteranno in esperimenti reali e offriranno agli studenti l'opportunità di acquisire esperienza pratica sui concetti illustrati durante le lezioni.

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Capitale umano, salute, educazione" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile