Biochimica e microbiologia ambientale

A.A. 2020/2021
6
Crediti massimi
48
Ore totali
SSD
BIO/10 BIO/19
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Il corso ha l'obiettivo di formare lo studente sulla struttura, funzione e interazione delle biomolecole, con particolare riferimento: i) ai processi metabolici e ai loro meccanismi di regolazione; ii) ai meccanismi di traduzione delle informazioni, dalle molecole informazionali alle funzioni cellulari; iii) modalità di degradazione delle molecole complesse e generazione di energia.
Risultati apprendimento attesi
Alla fine del corso lo studente conoscerà: i) le basi generali della biochimica batterica che serviranno a comprendere concetti relativi ai meccanismi cellulari di livello superiore, ii) i principi relativi all'ingegnerizzazione di microorganismi a fini industriali o di biorisanamento, ii) i principi relativi alle simbiosi e le interazioni fra organismi.
Il corso permetterà allo studente di acquisire competenze relative a svariate metodologie e strumentazioni di base per l'analisi biochimica relativamente alle tecniche biochimiche per il monitoraggio degli inquinanti ambientali, della produzione di energia e del biorisanamento.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Il corso verrà erogato con modalità mista.
Le lezioni frontali e le esercitazioni si terranno sia in aula (in presenza) che in videoconferenza (Teams) secondo l'orario previsto (modaltà sincrona).
Gli studenti che non parteciperanno alle lezioni in presenza potranno svolgere comunque la stessa attività online in modo da sviluppare le medesime capacità acquisibili attraverso le attività proposta in aula.
Gli orari delle lezioni e tutti i dettagli delle attività saranno pubblicati sul sito del corso di studio (https://spa.cdl.unimi.it/it) entro l'inizio delle lezioni.
Eventuali aggiornamenti saranno comunicati anche attraverso avvisi diretti agli studenti (consultate spesso la posta @studenti.unimi.it).
Consultate spesso anche il sito ARIEL dell'insegnamento per avvisi specifici dell'insegnamento.
Le modalità e i criteri per partecipare alle lezioni in presenza, che prevedono una prenotazione con la apposita app, saranno pubblicate per tempo sul sito del corso di studi.
Programma
Biochimica:
- Le quattro classe di biomolecole della cellula (acidi nucleici, proteine, carboidrati e lipidi). Aspetti strutturali e funzionali.
- Interazioni nelle biomolecole e concetti acido-base e di pH.
- Proteine: i quattro livelli di struttura, ruoli all'interno della cellula, enzimi e inibizione, enzimi con scopi ambientali. ( ho tolto sintesi proteica in quanto non lo insegno)
- Glucidi e metabolismo glucidico, processi di fermentazione.
- Lipidi e metabolismo dei lipidi.
- La fotosintesi
- Metabolismo dell'azoto.
- Tecniche di biochimica per lo studio del DNA e delle proteine.

Microbiologia ambientale
- Breve descrizione della cellula e del genoma batterico
- classificazione tassonomia molecolare, cenni su Next generation Sequencing
- Funzioni cellulari, rete metabolica e rete trascrizionale
- Replicazione del DNA
- Trascrizione
- Struttura base del promotore
- Divisione cellulare
- Meccanismi di motilita' ed il flagello, gliding motility in Myxococcus
- La parete, funzione e costituenti principali
- Trasferimento genetico orizzontale, meccanismi, i plasmidi
-sRNA, esempio RyhB e omeostasi del ferro
- Quorum sensing, in Vibrio, Bacillus, Streptococcus
-Metagenomica in breve
-Cicli biogeochimici e batteri
-Simbiosi fra Sinorhizobium e Medicago
-Articolo: "Urban metagenomics uncover antibiotic
resistance reservoirs in coastal beach and sewage waters"
-Articolo: Bio-augmentation e Bio-remediation "Prospects for harnessing biocide resistance for bioremediation and detoxification"
-Articolo: Chromium bio-remediation "Successive use of microorganisms to remove chromium from wastewater"
-Articolo: Bioremediation di idrocarburi "Enhanced bioremediation of oil spills in the sea"

Le parti precedute da Articolo sono letture commentate del paper indicato (che potra' variare in caso venissero pubblicati articoli piu' interessanti nel frattempo).

Tutti gli argomenti saranno collegati quando possibile, agli aspetti ambientali.
Prerequisiti
Consigliato, Biologia
Metodi didattici
Modalità di erogazione dell'insegnamento basata su lezioni frontali supportate da materiale proiettato. Gli studenti saranno stimolati a partecipare attivamente alla lezione/discussione per migliorare le proprie capacità critiche, analizzando la letteratura citata. Modalità di frequenza: fortemente consigliata.
Nel caso permanesse la situazione emergenziale, vedere la parte relativa alla didattica Fase Emergenziale.
Materiale di riferimento
Biochimica: Molecole e metabolismo (Editore Pearson). Autori: Dean R. Appling, Spencer J. Anthony-Cahill and Christopher K. Matthews
- Introduzione alla biochimica di Lehninger (Editore Zanichelli). Autori: Davide L. Nelson, Michael M. Cox.

Lo preparazione dell'esame della parte di microbiologia ambientale non richiede di un libro specifico anche se titoli vari verranno forniti in itinere relativamente a svariati argomenti. Qui di seguito una lista di articoli che permetteranno allo studente interessato di approfondire alcune tematiche.

(Genetica dei procarioti, meccanismi generali) Biologia dei microrganismi (a cura di Dehò-Galli), Casa Editrice Ambrosiana

I seguenti sono articoli relativi agli argomenti trattati nel corso e serviranno allo studente interessato per capire meglio alcuni degli aspetti trattati al corso

Misc
1. Des Marais DJ. Biogeochemistry of hypersaline microbial mats illustrates the dynamics of modern microbial ecosystems and the early evolution of the biosphere. Biol Bull. 2003;204(2):160-167.
doi:12700147
2. Chiu HC, Levy R, Borenstein E. Emergent Biosynthetic Capacity in Simple Microbial Communities. PLoS Comput Biol. 2014;10(7). doi:10.1371/journal.pcbi.1003695.

Antibiotic resistance and the environment
3. Davies J. Are antibiotics naturally antibiotics? J Ind Microbiol Biotechnol. 2006;33(7):496-499.
doi:10.1007/s10295-006-0112-5.
4. Sengupta S, Chattopadhyay MK, Grossart H-P. The multifaceted roles of antibiotics and antibiotic resistance in nature. Front Microbiol. 2013;4:1-13.
doi:10.3389/fmicb.2013.00047.
5. Walsh F. Investigating antibiotic resistance in non-clinical environments. Front Microbiol. 2013;4(February):19.
doi:10.3389/fmicb.2013.00019.


Bioremediation
6. Dvořák P, Nikel PI, Damborský J, de Lorenzo V. Bioremediation 3.0: Engineering pollutant-removing bacteria in the times of systemic biology. Biotechnol Adv. 2017;35(7):845-866.
doi:10.1016/j.biotechadv.2017.08.001.
7. Bilal M, Adeel M, Rasheed T, Zhao Y, Iqbal HMN. Emerging contaminants of high concern and their enzyme-assisted biodegradation - A review. Environ Int. 2019;124:336-353.
doi:10.1016/j.envint.2019.01.011.

Biosensors
8. Thouand G, Durand MJ. Microbial Biosensors for Environmental Applications. In: Chemical Sensors and Biosensors. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc.; 2013:373-407.
doi:10.1002/9781118561799.ch16.
9. Van Ginkel SW, Oh S-E, Hassan SHA, Hussein MAM, Abskharon R. Toxicity assessment using different bioassays and microbial biosensors. Environ Int. 2016;92-93:106-118.
doi:10.1016/j.envint.2016.03.003.

Plasmids and Horizontal Gene Transfer
10. Smillie C, Garcillan-Barcia MP, Francia M V., Rocha EPC, de la Cruz F. Mobility of Plasmids. Microbiol Mol Biol Rev. 2010;74(3):434-452.
doi:10.1128/MMBR.00020-10.
11. Zhang T, Zhang X-X, Ye L. Plasmid metagenome reveals high levels of antibiotic resistance genes and mobile genetic elements in activated sludge. PLoS One. 2011;6(10):e26041.
doi:10.1371/journal.pone.0026041.

Metabolic Engineering
12. Gowen C. Model-Guided Systems Metabolic Engineering of Clostridium thermocellum. 2011.
13. Dong X, Quinn PJ, Wang X. Metabolic engineering of Escherichia coli and Corynebacterium glutamicum for the production of l-threonine. Biotechnol Adv. 2011;29(1):11-23.
doi:10.1016/j.biotechadv.2010.07.009.
14. Vogt M, Haas S, Klaffl S, et al. Pushing product formation to its limit: Metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for l-leucine overproduction. Metab Eng. 2014;22:40-52.
doi:10.1016/j.ymben.2013.12.001.

Microbial Fuel Cells
15. Trapero JR, Horcajada L, Linares JJ, Lobato J. Is microbial fuel cell technology ready? An economic answer towards industrial commercialization. Appl Energy. 2017;185:698-707.
doi:10.1016/j.apenergy.2016.10.109.
16. Santoro C, Arbizzani C, Erable B, Ieropoulos I. Microbial fuel cells: From fundamentals to applications. A review. J Power Sources. 2017;356:225-244.
doi:10.1016/j.jpowsour.2017.03.109.

Sensing the environment
17. Keller L, Surette MG. Communication in bacteria: an ecological and evolutionary perspective. Nat Rev. 2006;4:249-258.
doi:10.1038/nrmicro1383.
18. Marijuán PC, Navarro J, del Moral R. On prokaryotic intelligence: strategies for sensing the environment. Biosystems. 2010;99(2):94-103.
doi:10.1016/j.biosystems.2009.09.004.
19. Maeda T, García-Contreras R, Pu M, et al. Quorum quenching quandary: resistance to antivirulence compounds. ISME J. 2011;6(3):1-9.
doi:10.1038/ismej.2011.122.
20. Basavaraju M, Sisnity VS, Palaparthy R, Addanki PK. Quorum quenching: Signal jamming in dental plaque biofilms. J Dent Sci. 2016;11(4):349-352. doi:10.1016/j.jds.2016.02.002.


Symbiosis
21. Christian N, Masakapalli SK, Pfau T, Ebenhöh O, Sweetlove LJ, Poolman MG. The intertwined metabolism during symbiotic nitrogen fixation elucidated by metabolic modelling. Sci Rep. 2018;8(1):1-11.
doi:10.1038/s41598-018-30884-x.
22. Bever JD, Platt TG, Morton ER. Microbial Population and Community Dynamics on Plant Roots and Their Feedbacks on Plant Communities. Annu Rev Microbiol. June 2012:265-285.
doi:10.1146/annurev-micro-092611-150107.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Come messo a punto nell'anno accademico 2019-2020, se la situazione emergenziale continuasse anche nel secondo semestre dell'AA 2020-2021, gli esami si terranno sulla piattaforma Moodle e saranno suddivisi in due parti, una per Biochimica e l'altra per Microbiologia Ambientale, ciascuno a sua volta organizzato in domande a risposta multipla piu' domande aperte.
Nel caso la situazione permettesse di svolgere esami in presenza, essi saranno sempre scritti ma si svolgeranno in aula.
Moduli o unità didattiche
Biochimica ambientale
BIO/10 - BIOCHIMICA - CFU: 0
BIO/19 - MICROBIOLOGIA - CFU: 0
Lezioni: 24 ore

Microbiologia ambientale
BIO/10 - BIOCHIMICA - CFU: 0
BIO/19 - MICROBIOLOGIA - CFU: 0
Lezioni: 24 ore
Docente: Brilli Matteo

Docente/i
Ricevimento:
Online
Ricevimento:
Piano 5, Torre B