OBIETTIVI FORMATIVI

Il corso è strutturato in due moduli: Biologia strutturale e Nanotecnologie. Il modulo di Biologia strutturale intende fornire le basi per la comprensione della struttura tridimensionale di macromolecole di interesse biochimico e biotecnologico quali proteine ed acidi nucleici, correlando, attraverso diversi esempi di letteratura, gli aspetti funzionali a quelli strutturali.

Il modulo Nanotecnologie ha come obiettivo quello a fornire agli studenti una panoramica delle più recenti e avanzate nanobiotecnologie utili per la biologia strutturale. In particolare, vengono presentati metodi di nanocristallografia proteica e tecniche avanzate di radiazione di sincrotrone, inclusa la radiazione di sincrotrone micro e nano-focalizzata e il Laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL). Viene delineata l'applicazione dei recenti progressi nelle nanotecnologie alla risoluzione delle strutture atomiche 3D di proteine ​​importanti per le scienze della vita e dell'impatto industriale.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

La frequenza e la partecipazione alle attività didattche  previste (lezioni frontali ed esperienze di laboratorio) consentiranno allo studente di acquisire le conoscenze necessarie allo studio degli aspetti strutturali e funzionali delle macromolecole biologiche a livello molecolare.
Nello specifico lo studente sarà in grado di comprendere, conoscere e descrivere gli approcci metodologici per lo studio e la predizione delle strutture tridimensionali delle macromolecole di interesse biologico.

PREREQUISITI

Requisiti fondamentali per lo studio della materia sono la conoscenza della chimica generale, organica e della biochimica.
In particolare lo studente dovrà conoscere nel dettaglio argomenti quali pH ed equilibrio chimico. i principali gruppi funzionali e la loro reattività. le principali reazioni di interesse biochimico. 

MODALITA' DIDATTICHE

L’insegnamento si compone di lezioni frontali completate da attività di laboratorio. Sono previste attività finalizzate all’applicazione delle conoscenze acquisite in aula durante le lezioni frontali. 
Le lezioni frontali in aula sono erogate mediante l'impiego di presentazioni multimediali e l'uso costante della lavagna per la scrittura di strutture molecolari e la descrizione di strumentazioni e metodiche

PROGRAMMA/CONTENUTO

Legami chimici che stabilizzano i polipeptidi: legami covalenti (legame peptidico e sue proprietà), legame a idrogeno, ponti salini, legame idrofobico ed interazioni elettrostatiche deboli. Strutture molecolari, e loro stabilità. Principali classi di molecole organico biologiche e costituzione di acidi nucleici e proteine. Struttura degli acidi nucleici. Struttura primaria e secondaria di DNA e RNA e loro integrazione nel genoma. Struttura terziaria di tRNA e rRNA. Metodi per la definizione della struttura primaria degli acidi nucleici. Struttura quaternaria del ribosoma (integrazione rRNAproteine). Cenni sulla struttura dei cromosomi umani. Struttura e funzione delle proteine. Metodi per la definizione della struttura primaria delle proteine; degradazione di Edman, spettrometria di massa elettrospray e MALDI a singolo (MS) o a più analizzatori (MS/MS). Livelli di organizzazione strutturale delle proteine (struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria). Motivi e domini. Dinamica e termodinamica dei processi di folding. Evoluzione molecolare, conservazione del fold tridimensionale (evoluzione divergente, evoluzione convergente) e topologie proteiche Classificazione della struttura delle proteine in gerarchie strutturali a dettaglio crescente. Correlazione delle strutture con l’attività biologica delle proteine (esempi di letteratura). Principi di cristallizzazione e analisi dei cristalli di macromolecole biologiche. Principi di idrodinamica e modelli per lo studio delle proteine a bassa risoluzione. Metodi grafici di rappresentazione delle proteine:, Lesk & Hardman, RIBBON, TOPS. Superficie di Van der Waals.. Superfici proteiche ed interazioni con altre proteine, ligandi e acidi nucleici. Criteri per il riconoscimento di siti di legame e catalisi. Catalisi e cinetica enzimatica: e meccanismi di azione di alcune classi di enzimi di interesse biologico, biotecnologico e biomedico.

Definizione di nanotecnologie. Nanostrutture passive e attive, nanosonde e nanotecniche. Nanotecnologia di Langmuir-Blodgett per l'assemblaggio di proteine. Organizzazione proteica in mono e multistrati altamente ordinati. Microbilancia in cristallo di quarzo con fattore di dissipazione (QCM_D). Caratterizzazione AFM di nanofilm e nanocristalli proteici. Basi della cristallografia a raggi X delle proteine. Sorgenti di radiazione di sincrotrone, raccolta dati a raggi X, linee micro e nano focalizzate, danno di radiazione. Cristallizzazione proteica con nanotemplati, nanobiocristallografia. Laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) e cristallografia seriale a femtosecondi. Strutture proteiche di rilevanza scientifica e industriale.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Tutte le slides utilizzate durante le lezioni e altro materiale didattico saranno disponibili su AulaWeb prima dell'inizio delle lezioni insieme ad altro materiale bibliografico in formato pdf.

I libri indicati sono suggeriti come testo di appoggio e sono disponibili e consultabili insieme ad altri libri per eventuali approfondimenti presso il docente.

Testi consigliati per eventuali approfondimenti:                                                                              Struttura e funzioni delle proteine - Petsko G. A.; Ringe D. – Zanichelli
Introduction to Protein Structure - Branden C., Tooze J. - Garland Pub

Pechkova, E., Riekel, C., Structural Proteomics and Synchrotron Radiation, Pan Stanford Series on Nanobiotechnology Volume 3, pp. 1-447, (ISBN, Singapore, New Jersey and London) 2012.