Corso di laurea: Biologia cellulare e molecolare Programmazione per l'A.A. 2021/2022  

Elementi di Biofisica Molecolare, di Diagnostica strumentale in Laboratorio, di Bioingegneria e Bioelettronica.
Teoria ed applicazioni di varie spettroscopie per Ricerca in biofisica , Diagnostica ed Analisi laboratoriale (Assorbimento UV/Vis, Fluorescenza statica e dinamica, FRET, Raman, Risonanza Plasmonica Superficiale) a vari sistemi biologici.
Nanoscopie su biomolecole con esercitazioni di microscopia a scansione stilo (STM/AFM) in aria e buffers.
Dinamica molecolare simulata di proteine e DNA con elementi di Bioinformatica, Docking e Drug Design (con esercitazioni).
Per ogni tecnica di indagine o diagnostica sono previste esercitazioni individuali.

Oltre alle diapositive relative al cors
W. Hoppe, W. Lohmann, H. Markl, H. Ziegler (Eds.): “Biophysics”. Springer-Verlag
- D. Freifelder: “Physical biochemistry”. Freeman and Company

Definizione e Misura dell'Invecchiamento: Definizione dei processi di invecchiamento e senescenza. Identificazione dei caratteri associati al processo di invecchiamento. Misura dei cambiamenti legati all'età inter e intraindividuali. Teorie dell'invecchiamento.
Approcci genetici allo studio dell'invecchiamento e della longevità: Gerontogeni e geni promotori della longevità. Studi sull'uomo: genealogici, di popolazione, gemelli, sesso, centenari sani, studi longitudinali. Modelli sperimentali animali: topo e altri roditori, saccharomices cerevisiae, caernorhabditis elegans, drosophila melanogaster.
Invecchiamento cellulare: Senescenza cellulare e apoptosi. Telomeri e telomerasi. Il danno alla molecola del DNA: natura endogena e esogena. Sistemi di riparazione del DNA. Declino dei sistemi di riparazione durante l'invecchiamento. L'effetto pleiotropico della proteina p53 nel processo di invecchiamento e cancerogenesi. Sintesi proteica, modificazioni post-traslazionali. Elicasi del DNA.
Sindromi progeroidi: Sindrome di Cockayne, tricotiodistrofia, sindrome di Bloom, sindrome di Werner, sindrome di Alzheimer. Disfunzioni molecolari e bersagli terapeutici.
Genetica delle cellule tumorali: L'origine clonale delle cellule tumorali. I difetti genetici che interferiscono con la stabilità del genoma, la riparazione del DNA e la regolazione del ciclo cellulare.
Introduzione alla farmacogenetica e alla farmacogenomica. Sequenziamento del genoma umano e variabilità interindividuale. Variabilità individuale nelle risposte alla terapia farmacologica (efficacia e tollerabilità). Geni che influenzano la risposta al farmaco: geni codificanti per proteine coinvolte nella biodisponibilità del farmaco (farmacocinetica); geni che codificano per il bersaglio terapeutico del farmaco (farmacodinamica). Varianti alleliche nella popolazione umana. Polimorfismi degli enzimi responsabili del metabolismo dei farmaci. Polimorfismi/mutazioni dei geni codificanti per il bersaglio terapeutico del farmaco.
Complessità poligenica e modulatori dell’azione di un farmaco. Medicina predittivi e terapia personalizzata. Sequenziamento dei genomi tumorali e selezione di inibitori tumorali. Identificazione di target biologici con valore diagnostico, prognostico e terapeutico.

Il corso non ha un testo unico di riferimento in quanto non disponibile. Pertanto il docente di approfondire gli argomenti trattati sui seguenti testi:
- Chimica farmaceutica (Patrick) di Edises
- Le basi farmacologiche della terapia (Goodman & Gilman)
- Principles of Pharmacogenetics and Pharmacogenomics, Edited by Russ B. Altman, Stanford University, California, David Flockhart, Indiana University, David B. Goldstein, Duke University, North Carolina, Cambridge University Press.

Inoltre il docente fornire articoli scientifici specifici durante il corso

Parte Teorica (32 ore)
Manipolazione acidi nucleici e proteine e relativa analisi:
Isolamento di DNA, RNA e proteine da campioni biologici; esempi ed applicazioni. DIGE.
Tecniche per l'analisi dell'espressione genica:
PCR, qPCR, RT-qPCR. Microarrays- analisi dati ed applicazioni. RNA-Seq.
Analisi delle interazioni proteina-proteina:
Far-Western, Pull-down, yeast-two/three hybrid assay, Co-Immunoprecipitazione, Tandem Affinity Purification (TAP) system, Phage Display, Bimolecular Fluorescent Complementation (BiFC), FRET.
Analisi delle interazioni DNA/RNA-proteina:
Saggio di immunoprecipitazione della cromatina (ChIP e ChIP-on-chip). EMSA. Southwestern. DNA pull-down. PiCh. Yeast-three hybrid assay.
Metodi per lo studio delle modifiche epigenetiche:
Analisi della metilazione del DNA mediante Methylation-Sensitive Amplification Polymorphism (MSAP), Bisulfite (non methylation)-specific PCR e Methylation-specific PCR (MSP). Analisi delle modifiche istoniche mediante ChIP.
Tecniche di mutagenesi e genome editing:
Metodi di mutagenesi sito-specifica, CRISPR-Cas9 System.
Applicazioni della PCR in campo diagnostico.
Next Generation Sequencing: piattaforme per il sequenziamento di seconda e terza generazione.

Parte Pratica (16 ore)
Estrazione di RNA totale, RT-qPCR. Estrazione di DNA genomico. Analisi metilazione DNA. Estrazione proteine totali e saggi di interazione proteina-proteina.

Brown T.A. Biotecnologie molecolari, principi e tecniche. Seconda ed., 2017, Zanichelli editore.
Watson J.D., Caudy A.A., Myers R.M., Witkowski J.A. DNA ricombinante. Seconda ed., 2008, Zanichelli editore.
Lesk A.M. Introduzione alla Genomica. Prima ed., 2009, Zanichelli editore.

Slides illustrate a lezione e disponibili sulla piattaforma didattica. Per le attività pratiche vengono fornite dispense dal docente.
Gli studenti non frequentanti sono incoraggiati a contattare il docente per avere informazioni sul programma, sui materiali didattici e sulle modalità di valutazione del profitto.

1. LA MANIPOLAZIONE GENICA, UNA TECNICA DALLE VASTE APPLICAZIONI
2. IL CLONAGGIO IN BATTERI DIVERSI DA ESCHERICHIA COLI
3. IL CLONAGGIO IN SACCHAROMYCES CEREVISIAE ED IN ALTRI FUNGHI
4. TRASFERIMENTO GENICO IN CELLULE ANIMALI
5. TRASFERIMENTO GENICO NELLE PIANTE
6. MANIPOLAZIONE GENETICA DEGLI ANIMALI

7. APPLICAZIONI
a. RED biotech
b. GREEN biotech
c. WHITE biotech
d. ARCHEOLOGIA
e. GENETICA FORENSE

Ingegneria genetica. Principi e tecniche
Sandy Primrose, Richard Twyman, Bob Old
Zanichelli 2004

Genetica. Dall'analisi formale alla genomica Condividi
Michael Goldberg, Janice A. Fischer, Leroy Hood
McGraw-Hill Education, 2022

a) OBIETTIVI FORMATIVI

Il corso introduce ai concetti ed agli approcci sperimentali della chimica delle sostanze bioattive, consolidando i principi acquisiti nell’ambito del corso di chimica organica della laurea triennale per procedere alla conoscenza della biogenesi, della sintesi, della struttura chimica e delle proprietà farmacologiche delle sostanze bioattive. Nella prima parte del corso sarà introdotto il concetto di farmacoforo, quale unità strutturale minima caratterizzata da una specifica attività biologica e clinica. Le sostanze bioattive, sia di origine sintetica che naturali, saranno quindi classificate sulla base dei loro farmacofori principali, che lo studente apprenderà a riconoscere anche nell’ambito di strutture molecolari complesse. Nella seconda parte del corso saranno forniti gli strumenti critici per associare la presenza di determinati farmacofori alle applicazioni farmaceutiche e farmacologiche, con una particolare attenzione ai meccanismi di azione molecolari con cui le sostanze bioattive agiscono nell’organismo. Lo studente avrà quindi la possibilità di comprendere l’origine naturale delle sostanze organiche bioattive e le loro possibili applicazioni industriali, ricevendo una specifica formazione in merito alla progettazione, allo sviluppo e alla valutazione di nuovi farmaci. Inoltre, grazie alla conoscenza dei meccanismi di azione a livello molecolare, lo studente potrà associare l’impiego delle sostanze bioattive a specifici prodotti in ambito nutraceutico, cosmoceutico e cosmetico, comprendendo le limitazioni nell’uso di sostanze potenzialmente tossiche e la possibilità di un loro miglioramento funzionale e strutturale. Queste conoscenze permetteranno allo studente di affrontare un percorso professionale nell’ambito dell’industria farmaceutica, nutraceutica e cosmeceutica.

b) RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI
• Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): Conoscenza dei principi che definiscono l’unità strutturale minima di una molecola organica, naturale o sintetica, per avere una determinata attività biologica (teoria del farmacoforo). Conoscenza delle relazioni tra tipologia dei farmacofori presenti in una molecola organica ed attività farmaceutica e farmacologica. Conoscenza del meccanismo di azione a livello molecolare delle principali famiglie di sostanze bioattive, con una particolare attenzione alle sostanze con attività antiossidante, antivirale, antiinfiammatoria ed antitumorale. Conoscenza degli stadi per la progettazione di un farmaco di sintesi, e delle procedure per il suo impiego in clinica. Conoscenza dell’origine e della distribuzione in natura delle principali famiglie di sostanze organiche naturali biologicamente attive.
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding): In aggiunta alle conoscenze acquisite attraverso lo studio della chimica delle sostanze bioattive, gli studenti potranno applicare i concetti teorici acquisiti nella risoluzione di esercizi pratici basati sulla richiesta del docente di presentare uno schema di progettazione di un farmaco, avendo l’indicazione iniziale del bersaglio di azione a livello molecolare e conoscendo il tipo di patologia contro la quale si intende sviluppare la terapia di cura. In questo caso gli studenti dovranno applicare anche le loro precedenti conoscenze di chimica e di biologia per la completa risoluzione del problema.
• Autonomia di giudizio (making judgements): Al termine del corso lo studente avrà acquisito la formazione necessaria per una completa autonomia di giudizio in merito alla possibilità di utilizzare una determinata sostanza organica, di origine naturale o sintetica, per la terapia di una determinata patologia. Lo studente sarà quindi in grado di collegare le conoscenze acquisite di biochimica, biologia molecolare, enzimologia, fisiologia e genetica alla progettazione di una sostanza applicabile in ambito farmaceutico, nutraceutico e cosmeceutico.
• Abilità comunicative (communication skills): gli studenti saranno invitati in modo continuativo e costante ad una partecipazione attiva alla lezione allo scopo di approfondire l’argomento per raccogliere proposte di possibili soluzioni in caso di scenari complessi. In questa attività gli studenti saranno chiamati a confrontarsi al fine di supportare le proprie idee. Lo stumento didattico è volto a far crescere le capacità comunicative e l’abilità di sapere lavorare e confrontarsi in un gruppo, il tutto finalizzato al consolidamento dei concetti acquisiti.
• Capacità di apprendere (learning skills):Le capacità di apprendimento degli studenti saranno valutate durante lo svolgimento del corso tramite prove di esonero che permetteranno di seguire individualmente lo stato di maturazione della conoscenza, evidenzianto le capacità di restituzione dello studente.
c) PROGRAMMA
Sostanze attive sugli acidi nucleici: Approfondimento sulla struttura locale degli acidi nucleici. Oligonucleotidi antisenso e antigene. Principi di progettazione di oligonucleotidi modificati: modificazione del gruppo fosfato, modificazione dello zucchero, modificazione della base nucleica. Sequenziamento chimico e misura della temperatura di fusione. Codice di riconoscimento delle doppie, triple e eliche multiple. Oligonucleotidi coniugati: intercalanti, redox e alchilanti. Strategie di sintesi e meccanismi di azione. Interazione degli ioni metallici con gli acidi nucleidi: teoria acido-base HARD/SOFT. Teoria del Farmacoforo. Introduzione e concetti generali. Esempi della teoria del farmacoforo nella interazione di piccole molecole con gli acidi nucleici. Antibiotici ene-diinici. Antibiotici inibitori dell'ansa minore. Mono e bis-intercalanti. Intercalanti-alchilanti antitumorali. Intercalanti del Pt/Pd. Esempi della teoria del farmacoforo nel caso dei polifenoli. Il farmacoforo fenolico, catecolico e pirogallolico. Meccanismo d'azione antiossidante e di radical scavanging. Il farmacoforo chinonico, attività alchilante e tossicità. Ruolo del redox cellulare nell'attività dei polifenoli. Biogenesi dei polifenoli. Sintesi degli amminoacidi aromatici. Acidi fenilpropanoici. Lignina e lignani. Biosintesi e attività biologica. Cumarine e flavonoidi. Biosintesi ed attività biologica. Biogenesi dei terpenoidi. Monoterpeni, diterpeni e sesquiterpeni. Steroidi e carotenoidi. Biosintesi ed attività biologica. Principi di biocatalisi per la sintesi delle sostanze bioattive. Catalisi omogenea e eterogenea. Metodi di immobilizzazione. Metodi di caratterizzazione. Biocatalisi ossidativa: laccasi. tirosinasi, perossidasi. Formazione del legame C-C, aldolasi.

Bioorganic Chemistry, Nucleic acids, Sudnay M. Hetcht Ed., Oxford University Press, New York, 1996.
Bioorganic Chemistry, peptides and proteins, Sudnay M. Hetcht Ed., Oxford University Press, New York, 1996..
Chimica delle Sostanze Organiche Naturali, Ed. Giunti.

Gli studenti non frequentanti sono incoraggiati a contattare il docente per avere informazioni sul programma, sui materiali didattici e sulle modalità di valutazione del profitto.

PROGRAMMA LEZIONI FRONTALI:

Regno funghi, definizione, circoscrizione classica e attuale. origine ed evoluzione.
Biologia ed ecologia: La cellula fungina (caratteristiche differenziali rispetto alla cellula vegetale, parete, sostanze di riserva, organuli peculiari, setti. Differenziamento, struttura e crescita. Spore. Sporogenesi e dispersione. Tropismi, condizioni ambientali per la crescita. Principali vie metaboliche, metaboliti primari e secondari. Riproduzione e cicli vitali. Fasi anamorfe e teleomorfe. Eterocariosi e parasessualità.
Ecologia: Funghi simbionti, parassiti e saprotrofi. Successioni.
Sistematica: approccio fenetico e cladistico. Caratteri apomorfi e plesiomorfi, concetti di omologia, analogia e omoplasia; metodi di studio della filogenesi (approcci morfologici, paleontologici, biochimici e genetico-molecolari); filosofie sistematiche; Costruzione di alberi filogenetici; nodi, internodi OTU, cladi e gradi; monofilia, polifilia e parafilia. Concetto di outgroup.
Filogenesi molecolare: Cenni di tecniche RFLP (Restriction Fragment Lenght Polymorphism), RADP (Randomly Amplified Polymorphic DNA) ed AFLP (Amplified Fragments Lenght Polymorphism). Sequenziamento: caratteristiche dei markers molecolari. I geni ribosomali. Allineamento. Inferenza filogenetica da sequenze molecolari: distance methods e discrete methods. Bootstrapping.
Filogenesi e caratteristiche dei Phyla e subphyla del Regno Fungi.

PROGRAMMA ESERCITAZIONI DI LABORATORIO:

Riconoscimento di una selezione di funghi rappresentativi dei diversi gruppi sistematici.
Tecniche di filogenesi molecolare. Estrazione DNA da ceppi fungini selezionati; amplificazione di porzioni geniche ribosomali. Elettroforesi su gel di agarosio. Sequenziamento, proofreading delle sequenze con programmi dedicati. Confronto delle sequenze ottenute con quelle depositate nelle banche dati in rete (NCBI). Allineamento. Costruzione alberi con l'uso di diversi algoritmi (Neigbour Joining, Maximum Likelyhood).

Gams W. et al., 2001. CBS Course of Mycology. Centraalbureau voor Schimmelcultures, Utrecht, The Netherlands.
CBS Laboratory Manual for Fungal Biodiversity. CBS Fungal Biodiversity Centre 2009.
Deacon J. W. 2000. Micologia moderna. Calderini ed agricole.
Deacon J. W. 2005. Fungal Biology. 4th edition Blackwell.
Appunti dalle lezioni e materiale bibliografico saranno distribuiti dal docente e caricati sulla piattaforma Moodle.