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Obiettivi
Il corso si propone di fornire agli allievi nozioni relative alle substrutture cellulari e alla loro caratterizzazione meccanica, oltre ai meccanismi di adesione e trasporto cellulare. L'obiettivo del corso è quello di fornire sia i concetti di base, sia le nozioni teoriche per comprendere i modelli matematici interpretativi dei fenomeni e di affrontare anche alcuni aspetti legati alle tecniche sperimentali utilizzate per la caratterizzazione meccanica a livello molecolare/cellulare.
Programma delle lezioni e delle esercitazioni
Caratterizzazione struttura-funzione delle principali substrutture e strutture della cellula.
Introduzione alla cellula: DNA, RNA, proteine; struttura di impaccamento del DNA; struttura e funzione di proteine, meccanismi di riconoscimento molecolare; folding di proteine, misfolding e patologie legate al misfolding proteico (malattie prioniche e formazione di fibre amiloidi nelle malattie neurodegenerative).
Meccanica della membrana cellulare: modelli di membrana, costituenti della membrana; comportamento della membrana cellulare, zattere lipidiche, fluidità di membrana; trasporto attraverso la membrana (passivo, attivo, mediato da proteine); membana cellulare nei batteri; trattamento della sepsi mediante dispositivi extracorporei: interazione farmaco-lipopolisaccaridi (analisi dell’interazione mediante meccanica molecolare), analisi multiscala dell’efficienza del dispositivo.
Meccanica del citoscheletro cellulare: citoscheletro, filamenti intracellulari, struttura e funzione di microtubuli, filamenti di actina e filamenti intermedi; polimerizzazione e disgregazione dei filamenti; struttura di cilia, flagelli e villi. Sistemi di trasporto lungo i filamenti. Meccanismo di adesione cellulare; adesione e comunicazione cellula-cellula (gap junction); meccanismi di adesione cellula substrato, sistemi biomimetici. Meccanismi di locomozione cellulare e analisi delle modifiche del citoscheletro cellulare durante la migrazione.
Caratterizzazione meccanica dei filamenti: esperimenti per la misura diretta e indiretta delle proprietà meccaniche di filamenti (test di trazione con AFM, misura della rigidezza flessionale, stima del modulo di Young). Teoria dei biopolimeri: definizioni, comportamento a flessione dei filamenti; lunghezza persistente; energia necessaria per deformare un filamento; fluttuazioni dei filamenti; costante elastica; teoria dei filamenti corti e lunghi. Modelli cellulari: modelli matematici interpretativi del comportamento meccanico delle cellule, modelli continui e modelli discreti, modelli multiscala.
Proteine motore: struttura e funzione delle proteine motore (miosine e chinesine); meccanismi di trasporto attivo e direzionalità del moto; modelli meccanici interpretativi dei cambiamenti conformazionali di miosina e chinesina; struttura e meccanismo di movimento della dineina. Meccanismi browniani di trasporto: tecnica delle cellule per lo spostamento unidirezionale di sostanze ad alta efficienza; equazioni di diffusione; equazione di Langevin; ratchet model e modelli descrittivi del processo di diffusione. Macchine molecolari e attuatori molecolari biologici e sintetici.
Aspetti tecnologici ed applicativi di strutture molecolari e cellulari
Principali metodi di indagine utilizzati per la visualizzazione, la manipolazione e la caratterizzazione di molecole e di cellule (microscopia elettronica, trappole ottiche e magnetiche, microscopia a forza atomica). Le trappole ottiche: tecniche per la manipolazione di singole molecole; principi di funzionamento, allestimento, calibrazione ed esempi di applicazione delle trappole ottiche.
Tecniche per la manipolazione di cellule e microdispositivi (microchip): fondamenti teorici, tecniche di realizzazione ed esempi applicatici (sorting cellulare, coltura cellulare in microsistemi, applicazioni di high-throughput screening).
Applicazioni terapeutiche di vescicole fosfolipidiche.
Gli argomenti delle lezioni saranno integrati con 5 esercitazioni da 3 ore ciascuna con l'obiettivo di approfondire e integrare con esempi applicativi ed calcoli analitici i seguenti aspetti:
- modellazione molecolare: leggi fondamentali ed esercizi
- caratterizzazione della membrana cellulare mediante micropipette: eritrociti e leucociti
- microscopia ottica tradizionale e a fluorescenza, e imaging cellulare
- microscopia a forza atomica e meccanica dei filamenti del citoscheletro
- proteine motore: modello meccanico dei cambiamenti conformazionali della miosina
Attività di laboratorio
Il programma delle lezioni e delle esercitazioni sarà integrato con 7 laboratori da 3 ore. 4 laboratori sono orientati all’approfondimento delle tecniche di meccanica molecolare e alla analisi del comportamento di molecole: il primo laboratorio sarà incentrato sugli aspetti di base, il secondo sull’analisi del comportamento di un fosfolipide in acqua e il terzo e il quarto alla analisi della conformazione e della resistenza meccanica di strutture secondarie che compongono filamenti e proteine del citoscheletro cellulare. 2 Laboratori sono orientati all'approfondimento dei sistemi microfluidici per colture cellulari: un laboratorio sarà incentrato sugli aspetti di progettazione e il secondo sugli aspetti di fabbricazione e messa in opera dei dispositivi. Il 7° laboratorio sarà invece incentrato sulle tecniche di visualizzazione e analisi semiquantitativa della morfologia cellulare basata su immagini in fluorescenza.
Risultati di apprendimento attesi
Al termine del corso ci si aspetta che lo studente abbia acquisito le nozioni di base relative alla struttura e alle caratteristiche meccaniche delle biomolecole e dei biopolimeri e sappia collegare gli aspetti strutturali molecolari a quelli funzionali alla base di importanti meccanismi cellulari, come adesione, locomozione e divisione cellulare. Inoltre ci si attende che lo studente sappia identificare metodologie di indagine e relativa strumentazione e set up sperimentali per caratterizzare strutture molecolari e strutture complesse subcellulari collegando anche argomenti diversi affrontati durante il corso.
Prerequisiti
Nessuno
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Italiano