Integrated structural biology

A.A. 2020/2021
6
Crediti massimi
64
Ore totali
SSD
BIO/10
Lingua
Inglese
Obiettivi formativi
The theoretical and practical grounds of structural biology, a branch of life sciences spanning different methodological approaches, will be presented. Through the lectures and practical sessions, the students will gain an understanding of the principles through which the interaction of X-rays, or of electrons, with the biological matter can unravel the molecular/atomic organization of molecules and macromolecules (proteins and nucleic acids) that build cells and organisms. The theoretical bases of X-ray crystallography, presented in frontal lectures, will guide the understanding of applicative methods. Students will learn crystallization and X-ray diffraction techniques, use of synchrotron radiation, computational approaches to solving the three-dimensional structure of proteins and nucleic acids. A thorough understanding of the fundamental principles of cryo-electron microscopy will allow students learning the state of the art methods of single particle cryo-electron microscopy to gain access to the three-dimensional structures of large macromolecular complexes. Altogether, the lectures will be integrated by lab and computing practicals. In the end the students will gain a thorough view on the methods and potential of structural biology that provides us with unique views and understanding of the way proteins, DNA, RNA and other biological (macro)molecules act. The course is ideally linked to those dealing with protein engineering and computational biology.
Risultati apprendimento attesi
Students will acquire extended knowledge on the methods of X-ray crystallography and single particle cryo-electron microscopy. Such cultural background will enable them to: i) appreciate the complexity of structural biology experiments and of the physical principles on which they rely; ii) understand the limitations posed by each technique, and learn how to properly plan/execute experiments; iii) understand how three-dimensional structures of macromolecules are achieved, their significance and their standing within the domain of biological research.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Trattandosi del primo anno di attivazione del Corso, non si evidenziano differenze rispetto ad attivita' didattiche precedenti. Lo sviluppo delle attivita' didattiche e' descritto nelle sezioni successive di questa pagina web.
Programma
L'insegnamento coprirà i principali approcci teorici, tecnici e computazionali alle analisi di biologia strutturale mediante cristallografia a raggi X e microscopia crioelettronica a singola particella. In particolare:
- Interazione dei raggi X e degli elettroni con la materia
- Cristalli di macromolecole biologiche: proprietà, crescita, simmetria, reticoli cristallini
- Sorgenti di sincrotrone a raggi X.
- Principi di diffrazione dei raggi X, esperimenti di diffrazione per la raccolta e l'analisi dei dati
- Trasformata di Fourier e "problema della fase"
- Metodi per risolvere le strutture cristalline e il loro raffinamento
- Geometria e funzionamento dei microscopi elettronici
- Preparazione del campione per microscopia crioelettronica a singola particella
- Tecniche di acquisizione di immagini in microscopia crioelettronica a singola particella
- Elaborazione di dati e soluzione di struttura in microscopia crioelettronica a singola particella
- Affidabilità di strutture tridimensionali di proteine, basi di dati
- Integrazione e complementarità con altri metodi di biologia strutturale

Al termine delle lezioni frontali e delle sessioni pratiche gli studenti saranno in grado di progettare ed eseguire esperimenti di crescita dei cristalli, preparazione di campioni in microscopia elettronica, elaborazione di dati per entrambe le tecniche. Acquisiranno inoltre una visione critica sulla progettazione e l'esecuzione di esperimenti di ricerca nel contesto della biologia strutturale, con l'obiettivo di comprendere la struttura, la funzione, le interazioni e le modifiche che caratterizzano le proteine e gli acidi nucleici nelle cellule viventi.
Prerequisiti
Ci si attende che gli studenti posseggano conoscenze di base su: proprietà fondamentali della radiazione elettromagnetica: energia, frequenza, lunghezza d'onda, interferenza; matematica e fisica di base. Conoscenze di base sulla biochimica delle proteine e degli acidi nucleici, in relazione ai loro livelli di organizzazione strutturale. Durante le lezioni verranno forniti riferimenti a libri di testo e siti Web di base, prima di affrontare ogni nuovo argomento.
Metodi didattici
Le lezioni frontali, tramite slide PowerPoint (la modalità esatta - in presenza o tramite web - sarà annunciata all'inizio del 2021 secondo le disposizioni sanitarie), comprendenti gli aspetti teorici di Biologia Strutturale, copriranno circa 32 ore di lezione. Una quantità equivalente di tempo sarà spesa in laboratorio (se possibile) e esercitazione al computer. Questi includeranno la crescita e la manipolazione dei cristalli proteici, la preparazione delle griglie per microscopia elettronica, l'analisi e la raccolta dei dati crio-EM, le procedure per la soluzione delle strutture cristallografiche. Tutte le esercitazioni informatiche si baseranno sui pacchetti software più comuni presenti in ciascun campo. La pratica sarà considerata una componente fondamentale del corso.
Materiale di riferimento
Data la portata concettuale e pratica degli argomenti trattati, non esiste un unico libro di testo che copra tutti gli argomenti. Inoltre, questi campi si stanno evolvendo rapidamente. I materiali di studio saranno forniti attraverso diapositive delle lezioni e referenza a specifici libri di testo, siti web e articoli di revisione scientifica.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La valutazione delle nozioni acquisite sarà svolta attraverso una prova orale e attraverso relazioni scritte relative alle esercitazioni. La prova orale si baserà su una discussione critica di un elaborato selezionato su argomenti che sono stati presentati durante il corso; questa parte dell'esame peserà il 60% per il punteggio finale. La descrizione e l'analisi delle esperienze pratiche sviluppate nella seconda metà del corso (sotto forma di relazioni degli studenti) costituiranno il 40% del punteggio finale dell'esame. Tali relazioni (quattro in totale) saranno prodotte dagli studenti durante il corso, al termine di ogni blocco di argomenti (circa 8 ore di pratica).
BIO/10 - BIOCHIMICA - CFU: 6
Esercitazioni: 32 ore
Lezioni: 32 ore
Docente/i
Ricevimento:
Lunedi - Venerdi, previo appuntamento
Dipartimento di BioScienze - Via Celoria, 26 - Torre C, 5° piano