Aspetti sintetici nella preparazione di biomolecole e biomolecole applicate allo studio di sistemi biologici
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
Il corso è finalizzato all'apprendimento da parte dello studente di conoscenze integrate di tipo chimico e biochimico delle principali classi di biomolecole naturali e di loro analoghi modificati per applicazioni in campo chimico e biotecnologico.
Nel Modulo 1 particolare attenzione verrà quindi dedicata alla chimica dei peptidi, degli acidi nucleici, dei carboidrati e dei loro analoghi modificati. Verranno introdotte le principali strategie di sintesi e di purificazione, nonché le metodologie di studio degli aspetti conformazionali utilizzando sia l'approccio computazionale sia tecniche spettroscopiche. Saranno presentate le tecniche per lo studio delle interazioni delle macromolecole con i rispettivi target biologici e delle macromolecole tra di loro, a dar luogo ad assemblati supramolecolari.
Il Modulo 2 fornirà una conoscenza dei principi che stanno alla base dell'utilizzo di biomolecole (principalmente biopolimeri, quali acidi nucleici e proteine, e lipidi) nello studio dei sistemi biologici e illustrerà metodi applicati alla predizione delle caratteristiche e delle proprietà delle biomolecole, al fine di comprendere le funzioni di queste nei complessi sistemi biologici e il loro impiego come strumenti in grado di modulare e caratterizzare i network in cui sono coinvolte. Inoltre, il seguente Modulo consentirà di acquisire nozioni relative allo sviluppo di alcune tecnologie che, utilizzando organismi viventi o loro componenti, permettono di ottenere prodotti naturali e modificati terapeuticamente utili.
Nel Modulo 1 particolare attenzione verrà quindi dedicata alla chimica dei peptidi, degli acidi nucleici, dei carboidrati e dei loro analoghi modificati. Verranno introdotte le principali strategie di sintesi e di purificazione, nonché le metodologie di studio degli aspetti conformazionali utilizzando sia l'approccio computazionale sia tecniche spettroscopiche. Saranno presentate le tecniche per lo studio delle interazioni delle macromolecole con i rispettivi target biologici e delle macromolecole tra di loro, a dar luogo ad assemblati supramolecolari.
Il Modulo 2 fornirà una conoscenza dei principi che stanno alla base dell'utilizzo di biomolecole (principalmente biopolimeri, quali acidi nucleici e proteine, e lipidi) nello studio dei sistemi biologici e illustrerà metodi applicati alla predizione delle caratteristiche e delle proprietà delle biomolecole, al fine di comprendere le funzioni di queste nei complessi sistemi biologici e il loro impiego come strumenti in grado di modulare e caratterizzare i network in cui sono coinvolte. Inoltre, il seguente Modulo consentirà di acquisire nozioni relative allo sviluppo di alcune tecnologie che, utilizzando organismi viventi o loro componenti, permettono di ottenere prodotti naturali e modificati terapeuticamente utili.
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso gli studenti dovrebbero essere in grado di comprendere in modo più approfondito ed adeguato la struttura e la funzione delle principali molecole biologiche e della loro capacità di coordinarsi tra loro nei sistemi biologici; applicare i principi della chimica sintetica alla preparazione di biomolecole; comprendere i concetti di base dell' assembly supramolecolare. Avranno inoltre acquisito una conoscenza base delle caratteristiche dei nanomateriali a base peptidica, delle applicazioni diagnostiche e terapeutiche degli oligonucleotidi e lipidi sintetici modificati.
Possiederanno la capacità di presentare le proprie conoscenze in modo chiaro e ordinato, con un linguaggio scientifico appropriato e con argomentazioni rigorose.
Possiederanno la capacità di presentare le proprie conoscenze in modo chiaro e ordinato, con un linguaggio scientifico appropriato e con argomentazioni rigorose.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Prerequisiti
L'insegnamento è rivolto agli studenti iscritti al profilo professionalizzante di Metodologie chimica applicate a biomolecole. Gli studenti devono possedere competenze nel campo della Chimica organica e della Biochimica in accordo con l'anno di corso frequentato.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste di una prova orale. Gli studenti saranno invitati a presentare un argomento a loro scelta, eventualmente con l'ausilio di una presentazione PPT. Eventuali domande su argomenti correlati con quello proposto potranno essere poste all'esaminanda/o a completamento della sua esposizione. Il voto finale verrà formulato valutando complessivamente la capacità dell'esaminanda/o di acquisire informazioni sull'argomento e sulla sua capacità di relazionare in modo conciso, esauriente ed efficace.
Modulo: Aspetti sintetici nella preparazione di biomolecole
Programma
Parte 1: Modellazione in silico
1. Introduzione alla Meccanica Quantistica:
a. L'equazione di Schrödinger
b. Le principali approssimazioni nel calcolo QM (BO, HF, LCAO)
c. Il set di basi
d. Il ciclo SCF
e. La superficie di energia potenziale e l'ottimizzazione di geometria
f. I metodi QM nel calcolo delle proprietà molecolari
2. Introduzione alla Meccanica Molecolare
a. I campi di forza
b. I modelli solvente e le condizioni periodiche
c. L'ottimizzazione di geometria
3. La ricerca conformazionale (CS)
a. Metodi di CS sistematici
b. Metodi di CS stocastici
4. La Dinamica Molecolare (MD)
a. Le equazioni del moto e il calcolo di una traiettoria
b. Simulazioni in solvente: gli insiemi microcanonico (NVE), canonico (NVT) e isotermico-isobarico (NPT)
c. Tecniche a campionamento aumentato (REMD, metadinamica, dinamica accelerata)
d. L'analisi della traiettoria: profili energetici, RMSD, RMSF, parametri geometrici, legami a idrogeno, analisi dei cluster, analisi delle componenti principali
e. Applicazioni e limiti della MD
5. Il docking molecolare e la stima dell'energia libera di binding
a. Introduzione alle tecniche di Docking
b. Calcolo dell'energia libera da traiettorie MD
Parte 2: sintesi e caratterizzazione di biomolecole
1. Peptidi e peptidomimetici
- Sintesi peptidica: gruppi protettori nella sintesi peptidica, metodologie di protezione ortogonale, formazione del legame peptidico, metodi di attivazione e accoppiamento, sintesi in soluzione e in fase solida, uso della tecnologia a microonde, native chemical ligation, expressed protein ligation
- Definizione di peptidomimetico e classificazione
- Approcci per lo sviluppo di peptidomimetici, restrizioni conformazionali, utilizzo di amminoacidi non naturali
- Analisi conformazionale: dicroismo circolare, FT-IR, NMR
2. Assembly supramolecolari
- interazioni tra proteina e ligando: termoforesi, surface plasmon resonance, calorimetria.
- nanoparticelle e self assembly
- tecniche analitiche per lo studio dei nanomateriali: spettroscopia UV-Vis, fluorescenza, dynamic light scattering, microscopia elettronica
- nanomateriali di natura peptidica
1. Introduzione alla Meccanica Quantistica:
a. L'equazione di Schrödinger
b. Le principali approssimazioni nel calcolo QM (BO, HF, LCAO)
c. Il set di basi
d. Il ciclo SCF
e. La superficie di energia potenziale e l'ottimizzazione di geometria
f. I metodi QM nel calcolo delle proprietà molecolari
2. Introduzione alla Meccanica Molecolare
a. I campi di forza
b. I modelli solvente e le condizioni periodiche
c. L'ottimizzazione di geometria
3. La ricerca conformazionale (CS)
a. Metodi di CS sistematici
b. Metodi di CS stocastici
4. La Dinamica Molecolare (MD)
a. Le equazioni del moto e il calcolo di una traiettoria
b. Simulazioni in solvente: gli insiemi microcanonico (NVE), canonico (NVT) e isotermico-isobarico (NPT)
c. Tecniche a campionamento aumentato (REMD, metadinamica, dinamica accelerata)
d. L'analisi della traiettoria: profili energetici, RMSD, RMSF, parametri geometrici, legami a idrogeno, analisi dei cluster, analisi delle componenti principali
e. Applicazioni e limiti della MD
5. Il docking molecolare e la stima dell'energia libera di binding
a. Introduzione alle tecniche di Docking
b. Calcolo dell'energia libera da traiettorie MD
Parte 2: sintesi e caratterizzazione di biomolecole
1. Peptidi e peptidomimetici
- Sintesi peptidica: gruppi protettori nella sintesi peptidica, metodologie di protezione ortogonale, formazione del legame peptidico, metodi di attivazione e accoppiamento, sintesi in soluzione e in fase solida, uso della tecnologia a microonde, native chemical ligation, expressed protein ligation
- Definizione di peptidomimetico e classificazione
- Approcci per lo sviluppo di peptidomimetici, restrizioni conformazionali, utilizzo di amminoacidi non naturali
- Analisi conformazionale: dicroismo circolare, FT-IR, NMR
2. Assembly supramolecolari
- interazioni tra proteina e ligando: termoforesi, surface plasmon resonance, calorimetria.
- nanoparticelle e self assembly
- tecniche analitiche per lo studio dei nanomateriali: spettroscopia UV-Vis, fluorescenza, dynamic light scattering, microscopia elettronica
- nanomateriali di natura peptidica
Metodi didattici
Il corso si svolge sulla base di lezioni frontali teoriche con esempi di letteratura relativi agli studi più recenti ed avanzati relativi all'argomento trattato. Sono previsti seminari di esperti e alcune esercitazioni in aula.
Materiale di riferimento
Dispense del corso fornite dal docente pubblicate su Teams e/o sito ARIEL
Testi di approfondimento:
A. R. Leach Moelcular Modelling: Principles and Applications. 2nd Edition Pearson ed.
V. Santagada, G. Caliendo :Peptidi e Peptidomimetici. PICCIN Editore, 2003.
S. M: Hecht. Bioorganic Chemistry: Nucleic Acids. Oxford University Press
S. M: Hecht. Bioorganic Chemistry: Peptides and Proteins. Oxford University Press
Testi di approfondimento:
A. R. Leach Moelcular Modelling: Principles and Applications. 2nd Edition Pearson ed.
V. Santagada, G. Caliendo :Peptidi e Peptidomimetici. PICCIN Editore, 2003.
S. M: Hecht. Bioorganic Chemistry: Nucleic Acids. Oxford University Press
S. M: Hecht. Bioorganic Chemistry: Peptides and Proteins. Oxford University Press
Modulo: Biomolecole applicate allo studio di sistemi biologici
Programma
- Sistema biologico e di biomolecole: il cosmo omico
- L'evoluzione delle proteine: dalla sequenza amminoacidica alla predizione della struttura
- Gli strumenti della Proteomica
- Banche dati: archiviazione e recupero dati
- La ricerca in banche dati per similarità:
· matrici di similarità, matrici di punteggio, FASTA, BLAST, PSI-BLAST;
· allineamento multiplo di sequenze;
· predizione della struttura di una proteina e modelli di omologia.
- Analisi di sequenze genomiche: sequenziamento e ricerca dei geni
- Struttura e funzione delle biomolecole
- Interazione tra biomolecole: aspetti generali e metodologici
- Il mondo degli XNA: gli aptameri e la selezione in vitro
- Replicazione ed evoluzione di PNA e altri polimeri sintetici
- Regolazione dell'espressione genica: oligonucleotidi antisenso, siRNA, anti-miRNA e oligonucleotidi splice-switcing
- Interazione tra nanoparticelle e sistemi biologici
- Nanoparticelle: strategie targeting attiva e passiva
- Aspetto chimico-strutturali dei lipidi
- Analisi lipidomica di membrana: Membrane lipid therapy
- L'evoluzione delle proteine: dalla sequenza amminoacidica alla predizione della struttura
- Gli strumenti della Proteomica
- Banche dati: archiviazione e recupero dati
- La ricerca in banche dati per similarità:
· matrici di similarità, matrici di punteggio, FASTA, BLAST, PSI-BLAST;
· allineamento multiplo di sequenze;
· predizione della struttura di una proteina e modelli di omologia.
- Analisi di sequenze genomiche: sequenziamento e ricerca dei geni
- Struttura e funzione delle biomolecole
- Interazione tra biomolecole: aspetti generali e metodologici
- Il mondo degli XNA: gli aptameri e la selezione in vitro
- Replicazione ed evoluzione di PNA e altri polimeri sintetici
- Regolazione dell'espressione genica: oligonucleotidi antisenso, siRNA, anti-miRNA e oligonucleotidi splice-switcing
- Interazione tra nanoparticelle e sistemi biologici
- Nanoparticelle: strategie targeting attiva e passiva
- Aspetto chimico-strutturali dei lipidi
- Analisi lipidomica di membrana: Membrane lipid therapy
Metodi didattici
Le lezioni sono tutte frontali finalizzate a fornire allo studente una conoscenza dei fondamenti delle applicazioni delle biomolecole nello studio dei sistemi biologici e nello sviluppo di tecnologie innovative che utilizzano organismi viventi, o loro componenti, per l'ottenimento di prodotti terapeuticamente utili. Inoltre, il docente induce un intenso interplay con gli studenti, basato anche sull'analisi e discussione di recentissimi lavori scientifici attinenti agli argomenti del programma.
Materiale di riferimento
I testi di riferimento consigliati sono: BIOINFORMATICA, S. Pascarella-A.Paiardini, Zanichelli Editore; I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, D.L. Nelson, M.M. Cox, Zanichelli Editore; BIOLOGIA MOLECOLARE DELLA CELLULA, Bruce Alberts Alexander Johnson Julian Lewis David Morgan Martin Raff Keith Roberts Peter Walter, Zanichelli Editore; FONDAMENTI DI BIOINFORMATICA, Helmer Citterich, Ferrè, Pavesi, Pesole, Romualdi, Zanichelli Editore.
Altro materiale di riferimento: slide delle lezioni e paper scientifici caricati sulla piattaforma Ariel.
Altro materiale di riferimento: slide delle lezioni e paper scientifici caricati sulla piattaforma Ariel.
Moduli o unità didattiche
Modulo: Aspetti sintetici nella preparazione di biomolecole
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 4
Lezioni: 32 ore
Docenti:
Bucci Raffaella, Contini Alessandro
Modulo: Biomolecole applicate allo studio di sistemi biologici
BIO/10 - BIOCHIMICA - CFU: 4
Lezioni: 32 ore
Docente:
Corsetto Paola Antonia
Docente/i
Ricevimento:
Su appuntamento
Dipartimento di Scienze Molecolari Applicate ai Biosistemi, via Venezian, 21, 20133 Milano, terzo piano
Ricevimento:
Su Appuntamento
DiSFeB, via Trentacoste 2, piano 4 e MS Teams