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Syllabus

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[W000652] - BASI BIOLOGICHE E METODI DELLE BIOTECNOLOGIEBASI BIOLOGICHE E METODI DELLE BIOTECNOLOGIE
Francesco PIVA
Lingua di erogazione: ITALIANOLessons taught in: ITALIAN
Laurea - [IT02] INGEGNERIA BIOMEDICA First Cycle Degree (3 years) - [IT02] BIOMEDICAL ENGINEERING
Dipartimento: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'InformazioneDepartment: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'Informazione
Anno di corsoDegree programme year : 3 - Secondo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2020-2021
Anno regolamentoAnno regolamento: 2018-2019
Crediti: 6
Ore di lezioneTeaching hours: 48
TipologiaType: D - A scelta dello studente
Settore disciplinareAcademic discipline: BIO/13 - BIOLOGIA APPLICATA

LINGUA INSEGNAMENTO LANGUAGE

Italiano

Italian


PREREQUISITI PREREQUISITES

Conoscere le basi della biologia, della fisica, della fisica ottica. Avere solide conoscenze dell'elettromagnetismo, dell'elettrotecnica e dell'elettronica.

To have basic knowledge of biology, physics, optical physics. Have solid knowledge of electromagnetism, electrical engineering and electronics.


MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DEL CORSO DEVELOPMENT OF THE COURSE

48 ore totali, di cui 36 ore di lezioni frontali e 12 ore di esercitazioni pratiche in aula. Durante le esercitazioni verranno utilizzati generatori di segnali, sonde ad alta impedenza di ingresso, oscilloscopi, analizzatore di spettro, analizzatore di rete vettoriale. Inoltre saranno mostrate parti di apparecchiature di laboratorio. In particolare:
- capillari di un sequenziatore di DNA
- fotomoltiplicatori di un microscopio elettronico
- cella di flusso di un citofluorimetro
- sensori del gas cromatografo
- sensori del cromatografo liquido
- tubo ad anodo rotante di un apparecchio per radiografie
- tubi Geiger per la conta delle particelle radioattive
- magnete di Halbach per la spettroscopia di risonanza magnetica miniaturizzata
- cella di Peltier di un termociclatore per l'amplificazione del DNA

48 total hours, including 36 hours of lectures and 12 hours of practical exercises in the classroom. During the exercises, signal generators, high input impedance probes, oscilloscopes, spectrum analyzer, vector network analyzer will be used. In addition, parts of laboratory equipment will be shown. In particular:
- capillaries of a DNA sequencer
- photomultipliers of an electron microscope
- flow cell of a flow cytometer
- gas chromatograph sensors
- liquid chromatograph sensors
- rotating anode tube of an x-ray machine
- Geiger tubes for counting radioactive particles
- Halbach magnet for miniaturized magnetic resonance spectroscopy
- Peltier cell of a thermal cycler for DNA amplification


RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI LEARNING OUTCOMES
Conoscenze e comprensione.

L’insegnamento intende fornire allo studente gli strumenti per conoscere:
1. le principali apparecchiature e le tecniche utilizzate nelle biotecnologie.
2. caratteristiche e limitazioni delle attuali metodiche. Sapere quali prestazioni il biologo e il clinico richiedono alle attuali apparecchiature.
3. metodi di studio dell’organizzazione molecolare e funzionale della cellula, delle comunicazioni fra cellule, del flusso dell'informazione genetica
4. capire il ruolo dei biomarcatori nella pratica clinica e il motivo per cui si cercano ancora nuovi e migliori biomarcatori


Capacità di applicare conoscenze e comprensione.

Questo insegnamento si inquadra in uno dei corsi a scelta nell’ambito delle conoscenze di Ingegneria Biomedica volte a fornire agli studenti la conoscenza delle basi biologiche e dei metodi delle biotecnologie. Lo studente dovrà dimostrare la capacità di applicare le conoscenze acquisite per: essere in grado di dialogare con i clinici e i ricercatori in BioMedicina, comprendere le scelte dettate dalle necessità assistenziali ma anche dall'esigenza di razionalizzazione della spesa pubblica in ambito sanitario, comprendere i principi alla base del funzionamento delle apparecchiature utilizzate nella ricerca BioMedica per saper tradurre in termini ingegnerisici le esigenze degli operatori.


Competenze trasversali.

Capacità di relazionarsi con persone provenienti da diversi ambiti


Knowledge and Understanding.

This course aims to give the students the knowledge about:
1. the main equipments and the methods used in biotechnology field
2. the features and limitations of the current equipments and methods. To know the performances required to the equipments by biologist and clinician
3. the methods to study the molecular and functional organization of the cell, the communications among cells, the flow of genetic information
4. to understand the role of molecular biomarkers in clinical practice and why it is necessary to search for new and better biomarkers


Capacity to apply Knowledge and Understanding.

This is a free-choicel course of the Biomedical Engineering that aims at providing students with the knowledge of the biological bases and the methods
used in the biotechnology field. The student has to demostration to apply the knowledge gained in order to: be able to communicate with clinicians and researchers working in BioMedicine, understand the choices dictated by the care need but also by the need to rationalize public spending in health care, understand the principles applied in the equipments used in BioMedical research to translate the operator needs in engineering terms.


Transversal Skills.

Ability to relate to people with different backgrounds.



PROGRAMMA PROGRAM

Cenni di struttura e funzione delle molecole biologiche. Alcuni metodi per il loro studio: la spettrofotometria, la cromatografia, la spettrometria di massa, la spettroscopia di risonanza magnetica.

Cellule procariotiche ed eucariotiche. Struttura generale della cellula eucariotica. Microscopia ottica (campo chiaro, contrasto di fase, fluorescenza) ed elettronica per lo studio della struttura cellulare.

La membrana plasmatica, proteine di superficie, recettori, canali di trasporto, ancoraggio e comunicazione cellulare, trasduzione del segnale. Tecniche di citofluorimetria a flusso, cell sorting e anticorpi monoclonali.

Organelli citoplasmatici: mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, lisosomi. Il citoscheletro. Ultracentrifugazione, microscopia a fluorescenza e sonde per marcare specifici bersagli molecolari.

Il nucleo cellulare, cromosomi e cromatina, il DNA, i geni, l'organizzazione dell'informazione biologica, la decodifica dei linguaggi biologici. Metodiche della biologia molecolare per lo studio del DNA: amplificazione del DNA tramite la reazione a catena della polimerasi (PCR), lettura del DNA tramite sequenziamento, elettroforesi del DNA.

La duplicazione del DNA, la trascrizione. L'RNA, la sua maturazione, il misterioso linguaggio dello splicing, esporto, regolazione. Dal Microarray al Next-Generation Sequencing (NGS): la misura dell'espressione genica e la rivelazione delle varianti geniche.

La traduzione dell'RNA, il codice genetico. Struttura e funzione delle proteine. La diffrazione dei raggi X.

Divisione cellulare per meiosi e riproduzione, mitosi e ciclo cellulare, morte cellulare per necrosi e per apoptosi. Il differenziamento cellulare. Le cellule staminali. L'epigenetica e l'ambiente. La memoria. Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti. Le mutazioni genetiche. Sistemi di riparo del DNA. Danno ossidativo.

Cenni ai metodi di misura di biomarcatori tumorali per la diagnosi in oncologia. I tumori. Alterazioni genetiche, la proliferazione cellulare, il microambiente tumorale, la metastatizzazione. Cenni all’immunoterapia. Una nuova forma di comunicazione intercellulare: gli esosomi e le vescicole extracellulari. Metodi per lo studio degli esosomi.

A conclusione dei principali argomenti illustrati, seguiranno esercitazioni pratiche in aula. Durante le esercitazioni verranno utilizzati generatori di segnali, sonde ad alta impedenza di ingresso, oscilloscopi, analizzatore di spettro, analizzatore di rete vettoriale. Queste strumentazioni saranno utilizzate per mostrare il funzionamento di parti provenienti da apparecchiature di laboratorio. In particolare:
- capillari di un sequenziatore di DNA
- fotomoltiplicatori e scintillatori di un microscopio elettronico
- cella di flusso di un citofluorimetro
- sensori del gas cromatografo
- sensori del cromatografo liquido
- tubo ad anodo rotante di un apparecchio per radiografie
- tubi Geiger per la conta delle particelle radioattive
- magnete di Halbach per la spettroscopia di risonanza magnetica miniaturizzata
- cella di Peltier di un termociclatore per l'amplificazione del DNA

Structure and function of biological molecules. Some methods for their study: spectrophotometry, chromatography, mass spectrometry, magnetic resonance spectroscopy.

Prokaryotic and eukaryotic cells. General structure of the eukaryotic cell. Optical microscopy (bright field, phase contrast, fluorescence) and electronics for the study of the cell structure.

The plasma membrane, surface proteins, receptors, transport channels, cell anchoring and communication, signal transduction. Flow cytofluorimetry techniques, cell sorting and monoclonal antibodies.

Cytoplasmic organelles: mitochondria, endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, lysosomes. The cytoskeleton. Ultracentrifugation, fluorescence microscopy and probes to mark specific molecular targets.

The cell nucleus, chromosomes and chromatin, DNA, genes, the organization of biological information, the decoding of biological languages. Molecular biology methods for the study of DNA: amplification of DNA by polymerase chain reaction (PCR), sequencing of DNA, electrophoresis of DNA.

DNA duplication, transcription. RNA maturation, the mysterious language of splicing, RNA export, gene regulation. From Microarray to Next-Generation Sequencing (NGS): the measurement of gene expression and the detection of gene variants.

The translation of RNA, the genetic code. Structure and function of proteins. X-ray diffraction.

Cell division by meiosis and reproduction, mitosis and cell cycle, cell death by necrosis and apoptosis. Cell differentiation. Stem cells. Epigenetics and the environment. The memory. Biological effects of ionizing radiation. Genetic mutations. DNA repair systems. Oxidative damage.

Measurement methods for tumor biomarkers for diagnosis in oncology. Tumors. Genetic alterations, cell proliferation, tumor microenvironment, metastasization. Introduction to immunotherapy. A new form of intercellular communication: exosomes and extracellular vesicles. Methods for studying exosomes.

At the end of the main illustrated topics, practical exercises will follow in the classroom. During the exercises, signal generators, high input impedance probes, oscilloscopes, spectrum analyzer, vector network analyzer will be used. These instruments will be used to show the functioning of parts from laboratory equipment. In particular:
- capillaries of a DNA sequencer
- photomultipliers and scintillators of an electron microscope
- flow cell of a flow cytometer
- gas chromatograph sensors
- liquid chromatograph sensors
- rotating anode tube of an x-ray machine
- Geiger tubes for counting radioactive particles
- Halbach magnet for miniaturized magnetic resonance spectroscopy
- Peltier cell of a thermal cycler for DNA amplification


MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL'ESAME DEVELOPMENT OF THE EXAMINATION
Modalità di valutazione dell'apprendimento.

Esame orale


Criteri di valutazione dell'apprendimento.

La valutazione finale dello studente si basa sulla capacità dimostrata di conoscere in modo adeguato il contenuto del corso, sulla dimostrazione di senso critico, capacità di ragionamento e di sintesi delle nozioni apprese.


Criteri di misurazione dell'apprendimento.

Il voto finale è attribuito in trentesimi. L'esame si intende superato quando il voto è maggiore o uguale a 18. E' prevista l'assegnazione del massimo voto con lode (30 e lode).


Criteri di attribuzione del voto finale.

Il voto finale viene attribuito in base al risultato ottenuto nell'esame orale e la lode viene attribuita solo quando lo studente dimostra piena padronanza della materia e un'elevata propensione alla stessa.


Learning Evaluation Methods.

Oral examination


Learning Evaluation Criteria.

The final evaluation of the student is based on the demonstrated ability to know the course content adequately, on the demonstration of critical sense, reasoning ability and synthesis of the learned notions.


Learning Measurement Criteria.

The final mark is attributed in thirtieths. The exam is considered passed when the grade is greater than or equal to 18. The maximum mark is expected to be awarded with honors (30 cum laude).


Final Mark Allocation Criteria.

The final grade is given based on the result obtained in the oral exam and the award is given only if the student demonstrates full mastery of the subject.



TESTI CONSIGLIATI RECOMMENDED READING

1) Titolo: Elementi di Biologia e Genetica
Autore: David Sadava, H Craig Heller, Gordon h Orians, William K Purves, David M Hills
Casa Editrice: Zanichelli
oppure
Titolo: Elementi di Biologia
Autore: Helena Curtis, N Sue Barnes, Adriana Schnek, Alicia Massarini
Casa Editrice: Zanichelli
2) Titolo: Metodologie biochimiche e biomolecolari
Autore: Mauro Maccarrone
Casa Editrice: Zanichelli
3) materiale didattico aggiuntivo:
https://learn.univpm.it/

1) Title: Elementi di Biologia e Genetica
Authors: David Sadava, H Craig Heller, Gordon h Orians, William K Purves, David M Hills
Publishing house: Zanichelli
or
Title: Elementi di Biologia
Authors: Helena Curtis, N Sue Barnes, Adriana Schnek, Alicia Massarini
Publishing house: Zanichelli
2) Title: Metodologie biochimiche e biomolecolari
Author: Mauro Maccarrone
Publishing house: Zanichelli
3) Additional material:
https://learn.univpm.it/


Scheda insegnamento erogato nell’A.A. 2020-2021
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento.
Academic year 2020-2021

 


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