L'obiettivo dell'insegnamento è di fornire agli allievi nozioni relative alle substrutture cellulari (principalmente membrana e filamenti del citoscheletro) e alla loro caratterizzazione meccanica, oltre alla descrizione dei meccanismi di adesione e trasporto cellulare. Saranno forniti i concetti di base per comprendere struttura e funzione delle substrutture cellulari, le nozioni teoriche per comprendere i modelli matematici interpretativi dei meccanismi molecolari e saranno anche descritti alcuni aspetti legati alle tecniche sperimentali utilizzate per la visualizzazione, la manipolazione e la caratterizzazione meccanica a livello molecolare/cellulare.

Al termine del corso ci si aspetta che lo studente:

• abbia acquisito e sappia descrivere le nozioni di base relative alla struttura, alla funzione e alle caratteristiche meccaniche delle biomolecole e dei biopolimeri del citoscheletro (DD1);
• sappia collegare gli aspetti strutturali molecolari agli aspetti funzionali che sono alla base di importanti meccanismi cellulari, come adesione, locomozione e divisione cellulare (DD2);
• sappia identificare le metodologie di indagine e la strumentazione o set up sperimentale necessaria per caratterizzare strutture molecolari e strutture subcellulari complesse; sappia utilizzare le metodologie analitiche e modellistiche per descrivere il comportamento delle strutture cellulari e ricavare parametri biofisici delle strutture subcellulari (DD2); sia in grado di identificare apparati sperimentali e definire protocolli specifici per la caratterizzazione di biomolecole (DD3).

Le attività di laboratorio consentiranno allo studente di:

• creare modelli molecolari di piccole biomolecole e eseguire caratterizzazioni con metodi di meccanica e dinamica molecolare
• analizzare immagini istologiche e in fluorescenza di cellule e substrutture cellulari e eseguire quantificazioni di parametri con Image J
• costruire e caratterizzare un dispositivo per il condizionamento cellulare in vitro.

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 cellulari: 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.

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. Macchine molecolari e attuatori molecolari biologici e sintetici.

Tecnologie e strumentazione per la caratterizzaizone di biomolecole e cellule: principali metodi di indagine utilizzati per la visualizzazione, la manipolazione e la caratterizzazione di molecole e di cellule (microscopia ottica, microscopia elettronica, trappole ottiche/magnetiche, microscopia a forza atomica) sono affrontati in modo non dettagliato durante lo svolgimento dell'insegnamento.

Microscopia ottica e in fluorescenza: principi di funzionamento dei microscopi, componentistica, colorazioni e microscopia confocale,

Trappole ottiche per la manipolazione di singole molecole: principi di funzionamento, allestimento, calibrazione ed esempi di applicazione delle trappole ottiche.

Gli argomenti delle lezioni saranno integrati con:

4 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
• meccanica dei filamenti del citoscheletro
• proteine motore: modello meccanico dei cambiamenti conformazionali della miosina

7 laboratori da 3 ore:

• 3 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 alla analisi della conformazione e della resistenza meccanica di strutture secondarie che compongono filamenti e proteine del citoscheletro cellulare; 
• 2 laboratori sono incentrati sulla microscopia ottica tradizionale e a fluorescenza (principi di funzionamento componentistica, colorazioni, live imaging) e sull'imaging cellulare e l'analisi semiquantitativa di parametri morfologici cellulari eseguita su immagini istologiche e in fluorescenza;
• 2 Laboratori sono orientati all'approfondimento dei sistemi di live imaging cellulare: camerette di condizionamento per la stimolazione cellulare; un laboratorio sarà incentrato sugli aspetti di progettazione e il secondo sugli aspetti di fabbricazione e messa in opera dei dispositivi.

Allo studente sono richieste conoscenze di base relative a acidi nucleici e proteine (quali quelle, ad esempio, acquisite nel triennio della Laurea di Ingegneria Biomedica del Politecnico di Milano).

Sono richieste, nello specifico, conoscenze relative alla struttura delle proteine, alla loro funzione.

Sono richieste inoltre conoscenze di base di biologia della cellula (costituenti cellulari, ciclo cellulare, principali funzioni cellulari).

La frequenza a lezioni e/o esercitazioni non è obbligatoria.
Non sono previste prove in itinere e non sono previsti pre-appelli.
Gli esami avranno luogo negli appelli previsti.

L’esame consiste in una prova scritta e un orale.
La prova scritto si svolge in aula il giorno dell’appello ed è finalizzato alla selezione degli studenti ammessi all'orale.
Gli allievi ammessi all’orale svolgeranno il colloquio approfondito nei giorni immediatamente successivi all’appello concordando la data con il docente.

La valutazione globale della preparazione dell'allievo si baserà sui seguenti criteri:
- capacità dell’allievo di descrivere e formalizzare in termini quantitativi fisico-chimici e ingegneristici i principali fenomeni cellulari;
- capacità di collegare diversi argomenti e di ragionare sui meccanismi alla base del comportamento molecolare e cellulare;
- livello di approfondimento delle diverse problematiche inerenti l’utilizzo e la caratterizzazione di molecole e cellule in ambito scientifico e clinico;
- capacità di descrivere e discutere formalizzazioni analitiche e matematiche utilizzate per la predizione o interpretazione di meccanismi molecolari;
- capacità di discutere il risultato ottenuto da una trattazione matematica;
- proprietà di linguaggio utilizzata nella descrizione dei meccanismi molecolari/cellulari.