34812 - BIOINGEGNERIA MOLECOLARE E CELLULARE LM

Conoscenze e abilità da conseguire

Lo studente, conosce i metodi per la rappresentazione astratta dei processi biologici su scala molecolare e cellulare attraverso esempi che illustrano come si derivano le equazioni dei modelli, come s'implementano e si risolvono le equazioni al calcolatore e come s'impiega la simulazione numerica per analizzare il comportamento di processi biologici a dinamica complessa. Oltre alle tecniche di biologia computazionale, lo studente conosce le tecniche per la caratterizzazione funzionale della elettrofisiologia cellulare. Lo studente, alla fine del corso, acquisisce una conoscenza specifica dei meccanismi fisiopatologici della elettrofisiologia cardiaca ed è in grado di analizzarli con un approccio computazionale multiscala.

Contenuti

Strutture e funzioni dei costituenti cellulari

I principali costituenti cellulari (membrane, nucleo, reticolo endoplasmatico, ribosomi, acidi nucleici e proteine). I processi fondamentali alla base del funzionamento della cellula (duplicazione, trascrizione, sintesi proteica, differenziamento, trasporto, riparazione del DNA). Il principio di modularità in biologia. Interazioni molecolari e funzioni cellulari. L'omeostasi ed il signaling. Il ciclo cellulare. Osservazione microscopica della cellula e dei suoi costituenti. Tecniche di coltivazione delle cellule e tecniche per l'estrazione dei costituenti cellulari. Lettura, scrittura e amplificazione degli acidi nucleici (DNA/RNA). Determinazione e visualizzazione della struttura tridimensionale di una proteina. La dinamica molecolare. La progettazione di macchine molecolari.

Reazioni biochimiche e circuiti molecolari

Legge dell'azione di massa. Polimerizzazione e turnover. Reazione enzimatiche. Equazioni di Michaelis-Menten. Soluzione analitica nell'ipotesi di equilibrio del substrato e di condizioni quasi stazionarie. Cinetica enzimatica e transistor molecolare. Base molecolare della inibizione competitiva. Siti di legame e controllo della catalisi. Equazioni matematiche e loro risoluzione. Controllo allosterico di una reazione enzimatica. Attivazione cooperativa. Equazione di Hill. Principi del dosaggio immunologico con tecnica immuno-enzimatica. Il metabolismo delle macromolecole. Le reti metaboliche.  Il metabolismo del glucosio (glicolisi, ciclo di Krebs, sistema citocromo). Il modello di Sal' Sel'kov della glicolisi.  

La biologia sintetica

Elementi costitutivi della regolazione della trascrizione. Circuiti genetici e reti di regolazione. Circuiti logici elementari. Circuiti a feedback  negativo, circuiti a feedback positivo e circuiti feedforward. Modellistica e simulazione della regolazione genica. Tecnologia del DNA ricombinate. Il registro delle parti biologiche standard e lo standard assembly. Progettazione di un circuito e realizzazione in laboratorio. Network molecolari e tecniche per la rilevazione dell'espressione genica su larga scala (DNA/RNA Chip).

Cinetica del calcio intracellulare

Funzioni del calcio intracellulare. Canali L-type ed attivazione del calcio intracellulare. Meccanismo del CICR. Recettore ryanodine e recettore IP3. Derivazione e analisi di un modello del primo ordine. Studio della condizione di stabilità. Meccanismo del riassorbimento del calcio (Calcium uptake). Le pompe del calcio. Modello del riassorbimento mediante retrazione lineare algebrica. Soluzione analitica. Modello dinamico lineare del riassorbimento del calcio. Ricerca degli autovalori. Assegnazione dei parametri e simulazione al calcolatore.

I canali ionici

Elementi costitutivi della membrana cellulare. Le proteine integrali di membrana ed i canali ionici. Struttura 3D dei canali del potassio. Sistemi di espressione eterologhi. Tecniche di registrazione delle correnti ioniche. Modelli cinetici delle correnti di membrana. Introduzione ai modelli di Markov. Modello a stati conformazionali. Relazione tra modelli cinetici e modelli con variabili di gating. Il modello markoviano per la corrente di potassio e per la corrente di sodio.
 Recettori di membrana ed interazione: ligandi, agonisti ed antagonisti.

Eccitabilità cellulare 


Struttura e funzione del neurone. Differenziazioni morfologiche nelle cellule nervose. Generazione e trasmissione elettrochimica dell'informazione. Elementi costitutivi della membrana del neurone. Potenziale di recettore e potenziale d'azione. Margine d'immunità ed integrità nella generazione e trasmissione del potenziale d'azione. Gli esperimenti di Hodgking-Huxely. Tossine e blocco delle correnti. Struttura del modello a conduttanze parallele. Modello della conduttanza del potassio e della conduttanza del sodio. Protocolli sperimentali per la caratterizzazione della corrente. Tecniche per l'identificazione dei parametri del modello. 


Struttura e funzione del cardiomiocita. Il modello del potenziale d'azione nella cellula cardiaca. Proprietà biofisiche dei canali ionici cardiaci. Misura in laboratorio del potenziale d'azione e delle correnti ioniche. Simulazione al calcolatore degli effetti sul potenziale d'azione di mutazioni a carico dei canali ionici e dell'effetto di bloccanti farmacologici.

Meccanismi molecolari alla base della trasmissione dell'informazione

Struttura e principali proprietà delle sinapsi. Principi di funzionamento delle sinapsi elettriche e chimiche. Meccanismo del rilascio del neuro-trasmettitore. Sistema agonista-antagonista. Recettori di membrana e attivazione dei canali.  Attivazione diretta ed attivazione mediante il meccanismo del secondo messaggero.

Argomenti integrativi:

Richiami di teoria dei sistemi dinamici


Definizione di sistema dinamico. Evoluzione temporale ed autovalori nei sistemi lineari. Spazio degli stati e traiettoria. Ricerca dei punti di equilibrio e topologia delle traiettorie. Classificazione dei punti di equilibrio. Introduzione alla teoria dei sistemi dinamici non-lineari. Flusso di un sistema dinamico ed invarianti rispetto al flusso.  Equivalenza topologica. Teorema di Hartman-Grobman e analisi mediante linearizzazione.

Elementi di teoria delle biforcazioni

Definizione di biforcazione in un sistema dinamico. Sistemi gradienti e funzione potenziale. Ricerca delle condizioni d'equilibrio. Studio della stabilità mediante funzione potenziale. Forme normali delle biforcazioni tra equilibri. Biforcazione con scambio di stabilità, biforcazione a forcone e biforcazione nodo-sella. Funzione potenziale e piano di controllo. Sensibilità al cambio di un parametro e biforcazioni. Biforcazione catastrofica e non catastrofica. Analisi linearizzata e condizione sugli autovalori. Esempio di sistema con due biforcazioni nodo sella. Ciclo d'isteresi rispetto ad un parametro. Equazione dinamica per il parametro ed innesco dell'oscillazione. Soluzione periodica e ciclo limite. Insieme omega ed alfa limiti. Biforcazione di Hopf super- e sub-critica. Biforcazione tra cicli. Biforcazione tangente e biforcazione flip. Oscillazioni periodiche e aperiodiche. Dimensione geometrica di una soluzione. Soluzioni periodiche e quasi-periodiche. Rappresentazione nel dominio del tempo e delle frequenze. Definizione di p-toro e di oscillazione p-periodica. Esempi di attrattori toro.

Complessità e caos

Soluzioni aperiodiche. Regime caotico. Esempi di attrattori strani. Impredicibilità e infinità sensibilità alle perturbazioni dello stato. Insiemi frattali. L'insieme di Cantor. Calcolo della dimensione frattale. Proprietà di autosomiglianza. Esempi di insiemi limiti frattalici. Attrattori strani ed impredicibilità della traiettoria. La cascata di Flip e lo scenario di Feigenbaum. Introduzione alla variabilità delle grandezze biologiche.

Testi/Bibliografia

Testi usati dal docente per preparare le lezioni

Z. Sballasi, J. Stelling, V. Periwal, "System Modeling in cellular Biology"
J. Keener and J. Sneyd, “Mathematical physiology” 
K.E. Drexler, “Nanosystems”
E. A. Rietman, “Molecular Engineering of Nanosystems”
M. Scherge and S. Gorb, “Biological Micro- and  Nano-tribology”
M. Heller and A. Guttman, “Integrated microfabricated biodevices”
J. M. Bower and H. Bolouri, “Computational modelling of genetic and biochemical networks”

C. Branden and J. Tooze, “Introduzione alla struttura delle proteine”
D. Voet, "Fondamenti di Biochimica"
Hille, “Ion Channels of Excitable Membranes”

Metodi didattici

Sono previste lezioni frontali in aula nel corso delle quali il docente presenta i singoli argomenti del programma integrandoli con la scrittura e la risoluzione grafica dell'equazioni per aiutare gli allievi a familiarizzare con gli strumenti di analisi. L'attività frontale è integrata con: 8 ore obbligatorie più 8 ore facolative di laboratorio di biologia computazionale che permettono a ciascun allievo di acquisire padronanza e familiarità con la simulazione numerica.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Gli studenti saranno valutati sulla base di un compito scritto ed un colloquio orale.

Il compito scritto di fine corso contiene una decina di quesiti e/o brevi esercizi riguardanti:

- sistemi dinamici nonlineari

- cinetiche enzimatiche

- modelli matematici di potenziale d'azione cardiaco e loro implementazione numerica

- tecniche di misura in elettrofisiologia

- elettrofisiologia cellulare cardiaca.

Il superamento dello scritto costituisce condizione necessaria per l'accesso al colloquio orale. Il voto finale del Corso viene definito valutando l'insieme delle due prove, senza vincoli predefiniti rispetto al voto conseguito nello scritto.

Strumenti a supporto della didattica

Laboratorio di Ingegneria Cellulare e Molecolare "Silvio Cavalcanti"
Laboratorio di Biologia Computazionale

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Stefano Severi