ID:
506610
Durata (ore):
48
CFU:
6
SSD:
Biologia molecolare
Anno:
2026
Dati Generali
Periodo di attività
Secondo Semestre (01/03/2027 - 14/06/2027)
Syllabus
Obiettivi Formativi
Il corso introduce i principali approcci sperimentali e computazionali utilizzati per progettare, produrre, caratterizzare e modificare proteine a fini di ricerca e di applicazione biotecnologica. Al termine del corso lo studente sarà in grado di:
- comprendere i principi alla base delle principali strategie di protein engineering, dalla progettazione razionale alla mutagenesi;
- progettare strategie per il clonaggio, l'espressione e la purificazione di proteine ricombinanti e valutarne proprietà quali stabilità, folding, omogeneità e stato oligomerico delle proteine;
- comprendere i principi delle principali tecniche di biologia strutturale ed interpretare criticamente dati strutturali ottenuti mediante NMR, cristallografia a raggi X e cryo-EM;
- utilizzare strutture sperimentali o predette per analizzare la relazione struttura–funzione e comprendere come informazioni strutturali e bioinformatiche possano essere utilizzate per progettare varianti proteiche;
- leggere e discutere criticamente articoli scientifici nel campo della protein science e della protein engineering.
- comprendere i principi alla base delle principali strategie di protein engineering, dalla progettazione razionale alla mutagenesi;
- progettare strategie per il clonaggio, l'espressione e la purificazione di proteine ricombinanti e valutarne proprietà quali stabilità, folding, omogeneità e stato oligomerico delle proteine;
- comprendere i principi delle principali tecniche di biologia strutturale ed interpretare criticamente dati strutturali ottenuti mediante NMR, cristallografia a raggi X e cryo-EM;
- utilizzare strutture sperimentali o predette per analizzare la relazione struttura–funzione e comprendere come informazioni strutturali e bioinformatiche possano essere utilizzate per progettare varianti proteiche;
- leggere e discutere criticamente articoli scientifici nel campo della protein science e della protein engineering.
Prerequisiti
Il corso affronta argomenti e tecniche di Biologia Molecolare e Biochimica a livello avanzato e pertanto è richiesta una solida conoscenza di base di queste materie.
Metodi didattici
Lezioni frontali con possibilità di integrazione attraverso seminari. Metodi didattici interattivi con gli studenti (lettura di articoli scientifici, strumenti informatici con feedback in tempo reale ecc.) potranno essere adottati per migliorare l'apprendimento e rendere le lezioni più coinvolgenti. Non sono previste esercitazioni pratiche in laboratorio, ma su richiesta degli studenti si potranno approfondire specifici argomenti e visitare i laboratori di ricerca che trattano gli argomenti del corso.
Verifica Apprendimento
Esame orale che verificherà la conoscenza degli argomenti trattati ma anche la capacità di organizzare il discorso e di applicare le conoscenze acquisite per discutere casi specifici.
Testi
Il materiale didattico (slides e articoli scientifici) verrano messi a disposizione degli studenti. Per la parte di biologia strutturale si consiglia il testo: “Physical Biochemistry: principles and applications”, David Sheehan, Wiley-Blackwell – 2nd edition
Contenuti
Il programma si sviluppa in vari moduli che uno dopo l’altro permettono allo studente di approfondire le conoscenze sullo studio e sull’utilizzo delle proteine per varie applicazioni biotecnologiche, con l’analisi di case studies riguardanti enzimi, proteine terapeutiche e proteine di interesse biotecnologico.
1. PROTEIN ENGINEERING: DESIGNING PROTEINS FROM SEQUENCE TO FUNCTION
Studio delle proteine e delle loro proprietà biomolecolari per scopi scientifici e applicativi. Relazione tra sequenza, struttura e funzione. Principi di protein engineering e principali strategie per la modifica delle proteine: rational design, site-directed mutagenesis, directed evolution. Progettazione del costrutto, sistemi di clonaggio e strategie di mutagenesi.
2. PRODUCING AND PROFILING RECOMBINANT PROTEINS
Produzione di proteine ricombinanti mediante sistemi di espressione procariotici ed eucariotici. Progettazione della strategia di espressione in funzione delle caratteristiche della proteina. Purificazione mediante tecniche cromatografiche, con particolare riferimento a cromatografia di affinità e tandem-affinity purification. Purificazione e caratterizzazione di proteine di membrana e uso dei detergenti. Analisi della qualità e della stabilità delle proteine mediante thermal shift assays e altre metodologie biofisiche. Relazione tra stabilità, folding e funzione.
3. HOW PROTEINS FOLD AND WHAT PROTEIN STRUCTURE REVEALS ABOUT FUNCTION
Struttura delle proteine, motivi strutturali, domini, cofattori e relazione tra struttura e funzione. Il problema del folding delle proteine: esperimenti di Anfinsen, paradosso di Levinthal, folding funnel e intermedi di folding. Ruolo delle chaperonine nel processo di folding: Hsp70 e Hsp60/GroEL-GroES. Casi complessi di folding: proteine eucariotiche, proteine di membrana e proteine intrinsecamente disordinate. Predizione della struttura delle proteine e introduzione agli approcci di structure prediction basati sull'intelligenza artificiale, con particolare riferimento ad AlphaFold. Utilizzo di strutture sperimentali e predette per l'analisi della relazione struttura–funzione: identificazione di domini, siti attivi, siti di legame e residui funzionalmente rilevanti.
4. NMR SPECTROSCOPY: LOOKING AT PROTEINS IN SOLUTION
Principi della Risonanza Magnetica Nucleare (NMR): momento magnetico nucleare di spin, frequenza di Larmor, condizioni di risonanza, chemical shift, accoppiamento di spin, magnetizzazione molecolare e macroscopica, rilassamento e FID. Spettroscopia NMR 1-D e sviluppo della NMR multidimensionale per lo studio della struttura tridimensionale delle proteine. Spettri COSY e NOESY, assegnazione delle risonanze, ricostruzione della struttura e famiglie di conformeri. Vantaggi e limiti della NMR nello studio delle proteine.
5. X-RAY CRYSTALLOGRAPHY: FROM CRYSTALS TO STRUCTURE
Concetto di risoluzione, cristalli e diffrazione dei raggi X. Tecniche di cristallizzazione di macromolecole e diagramma di fase. Reticolo cristallino, cella elementare, parametri di cella, operatori di simmetria, gruppi spaziali e unità asimmetrica. Esperimento di diffrazione da cristalli proteici: sorgenti di raggi X, raccolta dei dati e detector. Teoria della diffrazione, legge di Bragg, indici di Miller, reticolo reciproco, fattori di struttura e mappe di densità elettronica. Il problema della fase e utilizzo di modelli omologhi o predetti mediante molecular replacement. Fitting della catena polipeptidica, raffinamento e validazione della struttura.
6. CRYO-EM: FROM PARTICLES TO 3D STRUCTURES
Principi della microscopia elettronica: TEM e SEM. Single-particle electron microscopy e ricostruzione tridimensionale a partire dalle proiezioni bidimensionali. Preparazione dei campioni, negative stain e cryo-EM. Selezione e allineamento delle particelle, classificazione, ricostruzione 3D e valutazione della risoluzione.
Confronto tra NMR, cristallografia a raggi X e cryo-EM: principi, informazioni ottenibili, vantaggi, limiti e scelta della tecnica in funzione del problema biologico.
1. PROTEIN ENGINEERING: DESIGNING PROTEINS FROM SEQUENCE TO FUNCTION
Studio delle proteine e delle loro proprietà biomolecolari per scopi scientifici e applicativi. Relazione tra sequenza, struttura e funzione. Principi di protein engineering e principali strategie per la modifica delle proteine: rational design, site-directed mutagenesis, directed evolution. Progettazione del costrutto, sistemi di clonaggio e strategie di mutagenesi.
2. PRODUCING AND PROFILING RECOMBINANT PROTEINS
Produzione di proteine ricombinanti mediante sistemi di espressione procariotici ed eucariotici. Progettazione della strategia di espressione in funzione delle caratteristiche della proteina. Purificazione mediante tecniche cromatografiche, con particolare riferimento a cromatografia di affinità e tandem-affinity purification. Purificazione e caratterizzazione di proteine di membrana e uso dei detergenti. Analisi della qualità e della stabilità delle proteine mediante thermal shift assays e altre metodologie biofisiche. Relazione tra stabilità, folding e funzione.
3. HOW PROTEINS FOLD AND WHAT PROTEIN STRUCTURE REVEALS ABOUT FUNCTION
Struttura delle proteine, motivi strutturali, domini, cofattori e relazione tra struttura e funzione. Il problema del folding delle proteine: esperimenti di Anfinsen, paradosso di Levinthal, folding funnel e intermedi di folding. Ruolo delle chaperonine nel processo di folding: Hsp70 e Hsp60/GroEL-GroES. Casi complessi di folding: proteine eucariotiche, proteine di membrana e proteine intrinsecamente disordinate. Predizione della struttura delle proteine e introduzione agli approcci di structure prediction basati sull'intelligenza artificiale, con particolare riferimento ad AlphaFold. Utilizzo di strutture sperimentali e predette per l'analisi della relazione struttura–funzione: identificazione di domini, siti attivi, siti di legame e residui funzionalmente rilevanti.
4. NMR SPECTROSCOPY: LOOKING AT PROTEINS IN SOLUTION
Principi della Risonanza Magnetica Nucleare (NMR): momento magnetico nucleare di spin, frequenza di Larmor, condizioni di risonanza, chemical shift, accoppiamento di spin, magnetizzazione molecolare e macroscopica, rilassamento e FID. Spettroscopia NMR 1-D e sviluppo della NMR multidimensionale per lo studio della struttura tridimensionale delle proteine. Spettri COSY e NOESY, assegnazione delle risonanze, ricostruzione della struttura e famiglie di conformeri. Vantaggi e limiti della NMR nello studio delle proteine.
5. X-RAY CRYSTALLOGRAPHY: FROM CRYSTALS TO STRUCTURE
Concetto di risoluzione, cristalli e diffrazione dei raggi X. Tecniche di cristallizzazione di macromolecole e diagramma di fase. Reticolo cristallino, cella elementare, parametri di cella, operatori di simmetria, gruppi spaziali e unità asimmetrica. Esperimento di diffrazione da cristalli proteici: sorgenti di raggi X, raccolta dei dati e detector. Teoria della diffrazione, legge di Bragg, indici di Miller, reticolo reciproco, fattori di struttura e mappe di densità elettronica. Il problema della fase e utilizzo di modelli omologhi o predetti mediante molecular replacement. Fitting della catena polipeptidica, raffinamento e validazione della struttura.
6. CRYO-EM: FROM PARTICLES TO 3D STRUCTURES
Principi della microscopia elettronica: TEM e SEM. Single-particle electron microscopy e ricostruzione tridimensionale a partire dalle proiezioni bidimensionali. Preparazione dei campioni, negative stain e cryo-EM. Selezione e allineamento delle particelle, classificazione, ricostruzione 3D e valutazione della risoluzione.
Confronto tra NMR, cristallografia a raggi X e cryo-EM: principi, informazioni ottenibili, vantaggi, limiti e scelta della tecnica in funzione del problema biologico.
Lingua Insegnamento
Italiano
Altre informazioni
Agli studenti che certificano di trovarsi in una delle categorie indicate dall'Ateneo (disabili, lavoratori ecc.) verrà fornito supporto in base a quanto indicato dell'Ateneo, ovvero mediante incontri per chiarimenti su determinati argomenti del corso ed eventualmente fornendo le corrispondenti videoregistrazioni delle lezioni degli anni passati che includono quegli specifici argomenti.
Corsi
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BIOTECNOLOGIE AVANZATE
Laurea Magistrale
2 anni
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Persone
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