TEMI SCELTI DI BIOFISICA

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) (FIS/07)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Il corso intende fornire una panoramica sulla moderna Biofisica molecolare.
Lo scopo del corso è di introdurre in maniera qualitativa le moderne tecniche di analisi basate su metodi spettroscopici e di microscopia e sull’analisi numerica applicandole ad una selezione di argomenti di interesse corrente in Biofisica, mostrando come le metodologie fisiche possano fornire strumenti fondamentali nella comprensione dei fenomeni biologici. Tra gli obiettivi del corso rientrano anche quello di aiutare gli studenti della laurea triennale in Fisica ad effettuare più consapevolmente un’eventuale scelta di continuare gli studi con una specializzazione in Biofisica, e di fornire a studenti provenienti da altre lauree una panoramica sui moderni metodi sperimentali che hanno a disposizione per affrontare problemi molto complessi.

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding)

Gli studenti, alla fine del corso, dovranno aver conseguito le conoscenze e capacità di comprensione sugli argomenti trattati nel corso, secondo il programma di seguito riportato.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding)

Gli studenti, alla fine del corso, dovranno aver conseguito capacità di applicare le conoscenze acquisite per affrontare lo studio di un argomento di carattere biofisico. Più in particolare: comprensione di articoli della letteratura più recente, capacità di orientarsi nel considerare tematiche di carattere biofisico sia a livello teorico sia sperimentale, ideare e sostenere argomentazioni in campo biofisico a livello di base. Lo studente più propriamente dovrà dimostrare di esser in grado di inserire i processi cellulari e quelli propri degli esseri viventi in generale in un framework di leggi fisiche fondamentali, comprendere l’utilità di un’analisi quantitativa dei processi osservati e possedere la capacità di elaborare un modello meccanicistico per descrivere un processo molecolare.

Autonomia di giudizio (making judgements)

Gli studenti, alla fine del corso, dovranno dimostrare di aver migliorato le loro capacità critiche e di formulazione di giudizio, in particolare di raccogliere e interpretare i dati, riflettere su problematiche di interesse biofisico, studiare in modo autonomo, comunicare idee-problemi-soluzioni così da sviluppare quelle capacità di apprendimento che sono necessarie per intraprendere studi successivi in campo biofisico o svolgere attività professionali ad esso connesso.

Abilità comunicative (communication skills)

Gli studenti, alla fine del corso, dovranno dimostrare di saper comunicare idee-problemi-soluzioni su questioni di tematica biofisica ed esporre oralmente in modo chiaro, sintetico ed efficace. Le abilità comunicative verranno esercitate a lezione, coinvolgendo gli studenti nella discussione degli argomenti trattati, e durante le esercitazioni di laboratorio. Divisi in piccoli gruppi gli studenti verranno stimolati a sviluppare la capacità di lavorare in gruppo, discutere i possibili problemi che possono sorgere durante la misura, elaborare soluzioni e metodologie alternative che dovranno imparare a condividere e spiegare ai compagni di gruppo e al docente.

Capacità di apprendere (learning skills)

Gli studenti, alla fine del corso, dovranno dimostrare di essersi avviati in un percorso di comprensione delle principali tematiche in campo biofisico trattate in qualsiasi forma espressiva (manualistica, monografica e di reporting); di orientamento in una comprensione di base degli esiti delle più recenti ricerche e nella loro traduzione in interventi professionali, da intendersi anche come attività di studio autonomo, di ricerca e progettazione di un esperimento.

Prerequisiti

Conoscenze di base dell’analisi matematica, fisica e chimica.

Contenuti dell'insegnamento

1
La visione moderna della biofisica molecolare: i sistemi biologici in uno schema di leggi fisiche
2
Il sistema biofisico per eccellenza: le proteine
Struttura-dinamica-funzione
3
Interazione radiazione-materia per lo studio dei sistemi biologici
4
Analisi dei dati: l’uso di metodi analitici e numerici per la modellizzazione di processi biofisici
5
Elementi di fotofisica

Esercitazioni (24 ore) organizzate in:
- Assorbimento e fluorescenza allo stato stazionario
- Analisi dei dati

Programma esteso

Programma esteso
La visione moderna della biofisica molecolare: i sistemi viventi in uno schema di leggi fisiche
Differenze tra mondo macroscopico e microscopico
Dalla distribuzione di Maxwell-Boltzmann all’equazione di Eyring e Arrhenius: l’energia di attivazione di un processo

Il sistema biofisico per eccellenza: le proteine
La struttura delle proteine
La determinazione della struttura delle proteine: tecniche sperimentali per ottenere le strutture proteiche (cristallografia X, NMR, cryo-EM)
Folding delle proteine: chaperons, paradosso di Levinthal, free energy landscape, tecniche sperimentali per lo studio del processo di folding (assorbimento-fluorescenza e dicroismo circolare, stopped flow, laser flash photolysis)
Cinetica del processo di folding: caratterizzazione delle scale temporali del processo, T jump (tecnica ed esempi)
La funzione delle proteine: le quattro funzioni biochimiche fondamentali. Un esempio particolare: i motori molecolari.
Struttura-dinamica-funzione: l’esempio della super-famiglia delle globine

Interazione radiazione-materia per lo studio dei sistemi biologici
Assorbimento e fluorescenza: trattazione semiclassica essenziale
Anisotropia e quenching di fluorescenza: come trarre importanti informazioni circa l’interazione tra molecole di interesse biologico.
Tecniche di microscopia di fluorescenza: studiare la vita nella cellula, le strutture e i comparti cellulari. Le nuove tecniche di microscopia a super risoluzione.
Le tecniche a singola molecola.
Random walks: il moto browniano e il coefficiente di diffusione. FRAP come tecnica per determinare il coefficiente di diffusione.

Analisi dei dati: l’uso di metodi analitici e numerici per la modellizzazione di processi biofisici

Elementi di fotofisica:
GFP: la rivoluzione della biologia cellulare
Composti foto attivabili
Proteine fotocromiche
Terapia fotodinamica: Fotosensibilizzatori e Ossigeno singoletto

Esercitazioni (24 ore) organizzate in:
Assorbimento e fluorescenza allo stato stazionario: verranno realizzate esperienze di laboratorio che permettano di comprendere come sia possibile utilizzare la fluorescenza e l’assorbimento allo stato stazionario per ricavare dai dati sperimentali diversi parametri fisici di rilevanza per le macromolecole biologiche.
Analisi dei dati: le esperienze di laboratorio saranno intervallate da ore di esercitazione nelle quali gli studenti impareranno ad elaborare i dati acquisiti.

Bibliografia

diapositive delle lezioni, articoli segnalati da riviste internazionali; "Struttura e funzione delle proteine" G.A. Petsko, D. Ringe, Zanichelli; "Biological Physics. Energy, Information, Life. Updated first edition" Philip Nelson, Palgrave Macmillan and WH Freeman ed.; "Principles of fluorescence spectroscopy" J. Lakowicz, Kluver Academic/Plenum Publishers

Metodi didattici

Lezioni frontali e esercitazioni in laboratorio.

Modalità verifica apprendimento

L’esame consiste nella preparazione di un elaborato nel quale venga approfondito un tema scelto tra quelli affrontati nel corso.
Lo studente verrà valutato in base al raggiungimento degli obiettivi specificati in modo dettagliato, ovvero:
1
quanto conosce e comprende gli aspetti più rilevanti della biofisica molecolare, e delle leggi fisiche che la regolano, sapendo esporre i metodi sperimentali e i risultati ottenuti nella più recente letteratura.
2
quanto è in grado di orientarsi nella valutazione di analogie e differenze tra sistemi biofisici, dati sperimentali e metodologie da applicare in biofisica, quanto sa comprendere negli aspetti essenziali sistemi biofisici, eseguire semplici esperimenti con un ragionevole grado di autonomia, elaborare e analizzare statisticamente i risultati delle misure, sintetizzare gli esperimenti stessi e utilizzare i risultati per ricavare rappresentazioni in termini di modelli del sistema fisico in esame.

Altre informazioni

Orario di ricevimento: martedi' dalle 12:30 alle 14:30 previo appuntamento (Email). E' ovviamente possibile prendere appuntamento anche per giorni diversi della settimana.