CHIMICA FISICA DEI SISTEMI BIOLOGICI E DELLE BIOINTERFACCE

Obiettivi formativi

• MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)

  Il corso si propone di fornire una visione non meramente descrittiva dei fenomeni chimici e biologici, ma cercare di individuare le principali forze che stanno alla loro base e determinano la loro esistenza e manifestazione.

  Specifici obiettivi formativi del corso sono: fornire gli strumenti necessari alla comprensione di aspetti centrali della chimica biofisica mediante le leggi della termodinamica e della cinetica e le loro applicazioni alle reazioni chimiche e ai processi fisici. Gli esempi ed i problemi riguarderanno sistemi biochimici e biologici. Per esempio, dopo aver definito il lavoro come una forza moltiplicata per lo spostamento, si discute la misura sperimentale del lavoro necessario per allungare una singola molecola di DNA dalla sua forma 'random-coil' alla forma estesa, introduzione del concetto intuitivo e accessibile di microscopia a forza molecolare. Un altro obiettivo formativo del corso è quello di applicare il trattamento statistico del moto molecolare e delle interazioni alla conformazione delle proteine e del DNA e al legame dei leganti, nonchè effetti di superficie e membrane.

  In riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

  • Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): arrivare alla conoscenza delle caratteristiche essenziali dei sistemi biomolecolari ed essere in grado di risolvere in maniera qualitativa e quantitativa semplici problemi relativi a sistemi biologici e biochimici.
  • Conoscenza e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding): applicazione delle conoscenze teoriche aquisite per il confronto dei risultati sperimentali con quelli di calcolo, relativamente a casi studio di sistemi biochimici e biologici.
  • Autonomia di giudizio (making judgements): raccogliere ed interpretare i dati rilevanti, capacità di ragionamento critico, capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
  • Abilità comunicative (communication skills): capacità di descrivere in forma orale, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
  • Capacità di apprendere (learning skills): aver sviluppato le competenze necessarie per intraprendere studi successivi con un alto grado di autonomia.
• TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)

  Il corso si propone di fornire gli approfondimenti chimico-fisici di concetti già trattati in altre discipline caratterizzanti il corso di studi, quali la chimica fisica dei sistemi biologici, la chimica organica, la biochimica. I contenuti del corso vertono su principi di base e proprietà delle superfici, soprattutto all’interfaccia solido-liquido, e delle (nano)biointefacce.

  Specifici obiettivi formativi del corso sono: di fornire gli strumenti necessari alla comprensione dei vari tipi di interazione che avvengono tra cellule e tessuti ed il loro intorno naturale o artificiale, aspetti termodinamici e cinetici dell’interfaccia proteina-biomateriale, con approfondimenti sul ruolo fondamentale dell’acqua alle biointerfacce. Un altro obiettivo formativo del corso è quello di spiegare come processi cellulari quali l’adesione, la differenziazione e la proliferazione possano essere influenzati da proprietà meccaniche (viscoelasticità), fisiche (topografia) e chimiche (energia libera di superficie, composizione e struttura) delle superfici e di come queste possano essere modulate attraverso la loro modifica, anche su scala nanometrica, e/o dalle condizioni ambientali (stimolo chimico, fisico e/o biologico). Nella parte di laboratorio lo studente prenderà consapevolezza non soltanto del ruolo fondamentale espletato da questa disciplina in diversi ambiti scientifico-tecnologici (trasporto e rilascio di farmaco, sensing, imaging, teranostica), ma anche aquisirà dismestichezza con processi di sintesi chimica di nanoparticelle e caratterizzazione spettroscopica e microscopica delle biointerfacce.

  Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

  • Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): arrivare alla conoscenza delle caratteristiche essenziali delle biointerfacce ed essere in grado di risolvere in maniera qualitativa e quantitativa semplici problemi relativi all’interfaccia biomolecola-materiale.
  • Conoscenza e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding): applicazione delle conoscenze teoriche aquisite per il confronto dei risultati sperimentali con quelli di calcolo, relativamente a casi studio di biointerfacce tra cellule e matrice extracellulare (ECM) e tra cellule, ECM e dispositivi medicali.
  • Autonomia di giudizio (making judgements): raccogliere ed interpretare i dati rilevanti, capacità di ragionamento critico, capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
  • Abilità comunicative (communication skills): capacità di descrivere in forma orale, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
  • Capacità di apprendere (learning skills): aver sviluppato le competenze necessarie per intraprendere studi successivi con un alto grado di autonomia.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

• MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)

  Lezioni frontali svolte con proiettore e alla lavagna; esercitazioni in aula.

  Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

• TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)

  Lezioni frontali svolte con proiettore e alla lavagna; esercitazioni in aula; attività di laboratorio.

  Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Prerequisiti richiesti

• MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)

  Matematica di base, fisica di base, chimica generale, biochimica

• TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)

  Matematica di base, fisica di base, chimica generale, biochimica

Frequenza lezioni

• MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)

  Obbligatoria (almeno 60% di presenze). Esenzioni motivate parziali o totali dalla frequenza, oltre a quelle previste dall'art. 27 del Regolamento Didattico di Ateneo, possono essere riconosciute dal Consiglio di Corso di Studi dietro presentazione di istanza motivata e riconosciuta tale dal Consiglio.

• TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)

  Obbligatoria (almeno 60% di presenze)

Contenuti del corso

• MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)

  Uso dei concetti e delle tecniche della Termodinamica per lo studio di complessi sistemi molecolari. Molecole elettricamente cariche in Soluzione. Fenomeni di Self-Assembling: Formazione di micelle, membrane, aggregati. Equilibri in Sistemi Cooperativi. Fisica dei Polimeri, Polielettroliti e Gel. Biofisica delle Membrane. Descrizione dei processi Dinamici mediante la Termodinamica dei Processi Fuori dall’Equilibrio. Teoria dello Stato di Transizione. Fenomeni di Trasporto, Equazione di Diffusione, applicazioni alle membrane biologiche. Nucleazione e crescita di nuove fasi. Equazioni cinetiche complesse. Applicazioni ad alcune tecniche di uso biochimico (elettroforesi, centrifugazione, cromatografia). Interazione Radiazione-Materia.

• TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)

  Chimica fisica delle interfacce. Introduzione al concetto di biointerfaccia. Definizione e proprietà di superficie. Nano-bio-interfacce.

  Aspetti teorici e applicativi delle biointerfacce. Biomateriali. Biosensori. Bioelettronica. Ingegneria tissutale. Nanomedicina e teranostica.

  Forze intermolecolari e processi di ‘self assembling’. Aspetti strutturali di superfici asciutte e bagnate (doppio strato), aspetti energetici (energie di interfaccia, superidrofobicità). Carica superficiale e chimica superficiale dei colloidi. Elasticità e viscoelasticità di sistemi biomolecolari. Casi studio di sistemi biomolecolari auto-organizzati.

  Biomateriali. Preparazione di biomateriali e protesi biomedicali e caratterizzazione chimico-fisica delle loro proprietà di superficie. La reazione del corpo esterno ed incapsulazione dell’impianto.

  Microfabbricazione e nanofabbricazione applicati alle biointerfacce. Strutturazione di superfici; imprinting molecolare; monostrati autoassemblanti; tecniche di sintesi di micro- e nanomateriali. Influenza di topografia, proprietà meccaniche e gruppi funzionali chimici sulla risposta cellulare.

  Esempi di caratterizzazione di superfici ed interfacce biologiche. Membrane supportate a doppio strato lipidico (SLB). Confronto tra tecniche acustiche (microbilancia a cristallo di quarzo con monitoraggio della dissipazione, QCM-D), ottiche (risonanza plasmonica di superficie, SPR; spettroscopia ottica a guida d’onda, OWLS) e microscopiche (microscopia a forza atomica, AFM; microscopia confocale a scansione laser, LSM).

  Biointerfacce su scala nanometrica. Interazioni cellula-intorno biologico. Interazioni cellula-cellula e cellula-matrice extracellulare (ECM). Adsorbimento di proteine da un mezzo biologico. Interazione proteina-superficie solida. Ruolo dell’acqua nell’adsorbimento di superficie. La superficie di ‘Goldilocks’. Concentrazione di superficie, cinetica, conformazione, effetto sul comportamento cellulare.

  Esercitazioni in laboratorio su sistemi modello di interesse per le biointerfacce in aspetti relativi al drug delivery, biosensori ed imaging.

Testi di riferimento

• MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)

  1. Dispense e lucidi delle lezioni fornite dal docente

  2. Physical Chemistry Principles and Applications in Biological Sciences. 5th edition by Ignacio Tinoco Jr., Kenneth Sauer, James C. Wang, Joseph D. Puglisi, Gerard Harbison, David Rovnyak, Ed. Pearson Advanced Chemistry Series, 2014.

  3. Physical chemistry for the life sciences. 2nd ed. By Atkins, P. W.; De Paula, J.; Ed. W.H. Freeman and Co., Oxford University Press: New York; Oxford, 2011; p xxvi, 590 p.

  3. Intermolecular and Surface Forces. (third edition) J.N. Israelachvili, Academic Press, NY, 2011

  4. Modelli Matematici in Biologia, G. Gaeta, Springer, 2007

  5. H. Ohshima - Biophysical Chemistry of Biointerfaces - Wiley

  6. http://studium.unict.it

• TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)

  1. Dispense e lucidi delle lezioni fornite dal docente

  2. P. W. Atkins, J. de Paula- Chimica fisica biologica - Zanichelli

  3. W. Pauli - Physical Chemistry in the Service of Medicine - Wiley &Sons

  4. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology - John Wiley & Sons

  5. H. Ohshima - Biophysical Chemistry of Biointerfaces - Wiley

  6. B.D. Ratner, A.S. Hoffman - BIOMATERIALS SCIENCE: An Introduction to Materials in Medicine - Elsevier

  7. NANOMATERIALS INTERFACES IN BIOLOGY - METHODS AND PROTOCOLS, Editors: Bergese, Paolo, Hamad-Schifferli, Kimberly (Eds.) SPRINGER

Programmazione del corso

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

• MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)

  L' esame si svolge in forma orale dove lo scopo è quello di utilizzare le conoscenze acquisite dal corso per spiegare fenomeni, problemi o per progettare esperimenti o soluzioni per rispondere a domande sperimentali.

  La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

  The exam takes place in oral form where the aim is to use the knowledge acquired from the course to explain phenomena, problems or to design experiments or solutions to answer experimental questions. An example exam is provided here. Learning assessment may also be carried out on line, should the conditions require it.

• TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)

  Prova orale. Consegna delle relazioni scritte relative alle esercitazioni svolte in laboratorio.

  La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

  Learning assessment may also be carried out on line, should the conditions require it.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)

  Data una soluzione a 298 K di 0,5 g di ribonucleasi pancreatica bovina A in 100 mL di soluzione tampone di densità 1,020 g mL-1, che dà una differenza di altezza h = 9,23 cm in un apparecchio a pressione osmotica, qual è il peso molecolare della ribonucleasi A?

  Given a solution at 298 K of 0,5 g bovine pancreatic ribonuclease A in 100 ml of buffer solution of density 1,020 g ml-1, which gives a height difference h = 9,23 cm in an osmotic pressure apparatus, what is the molecular weight of ribonuclease A?

• TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)

  - Calcolo del ricoprimento superficiale di una nanoparticella da parte di una proteina in conformazione ‘side-on’

  - Tensione superficiale ed energia libera di superficie di un biomateriale ‘anti-fouling’

  - Biosensing di biointerfacce ibride con tecniche acustiche e ottiche