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Oggetto:
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LABORATORIO BIOMOLECOLARE

Oggetto:

Biomolecular laboratory

Oggetto:

Anno accademico 2021/2022

Codice attività didattica
SVB0029
Docenti
Dott. Giovanna Di Nardo (Titolare)
Mara Maldotti
Prof. Francesco Neri
Corso di studio
Scienze Biologiche D.M. 270
Anno
3° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
9
SSD attività didattica
BIO/10 - biochimica
BIO/11 - biologia molecolare
Erogazione
Mista (tradizionale e online)
Lingua
Italiano
Frequenza
Lezioni facoltative e esercitazioni obbligatorie
Tipologia esame
Scritto ed orale
Oggetto:

Sommario del corso

Oggetto:

Obiettivi formativi

Questo insegnamento concorrre agli obiettivi formativi dell'area biologica, fornendo allo studente conoscenze di base in ambiti specifici della Biochimica, Biologia molecolare e Bioinformatica e fornendo competenze tecniche in ambito biomolecolare.

L'insegnamento tratta la base teorico-pratica dell'interfacia tra le conoscenze sulla sequenza dei genomi ed il loro utilizzo per tecnologie del DNA ricombinante, ingegnerizzazione ed espressione di proteine ricombinanti e modellizzazione delle strutture molecolari, anche attraverso i metodi bioinformatici e l'utilizzo di banche dati.

Nel primo modulo, lo studente acquista la capacità di accedere ed utilizzare le principali banche-dati di genomica, proteine e letteratura disponibili su web e gli elementi introduttivi ad una serie di strumenti per il lavoro bioinformatico.

Nel secondo modulo, vengono presentate le principali metodiche del DNA ricombinante, le applicazioni per l'analisi di espressione dei geni, per lo studio di interazione proteina-DNA/RNA e per la manipolazione dei geni in organismi. Acquisisce anche pratica nel clonaggio in E. coli con l'utilizzo di plasmidi ricombinanti, purificazione ed analisi del costrutto finale.

Nel terzo modulo, lo studente acquisisce gli elementi di base per capire la funzione delle molecole biologiche sulla base della loro struttura chimica e tridimensionale. Acquisisce esperienza diretta sulla visualizzazione e l'analisi della struttura 3D di proteine. Inoltre, vengono forniti gli elementi teorici di base per la cristallografia ai raggi x e la risonanza magnetica nucleare (NMR) applicati allo studio della struttura delle macromolecole biologiche.

Per ciascuno degli argomenti presentati, lo studente acquisisce gli strumenti di base per un loro utilizzo pratico, attraverso un'esperienza diretta in laboratorio ed applicazioni in aula informatica, basate su risorse web.

 

This teaching contributes to the realization of the objectives of the biological area, providing the student with basic knowledge in specific fields of Biochemistry, Molecular Biology and Bioinformatics and providing technical skills in the biomolecular field.

The teaching presents a first base at the interface between theoretical and practical knowledge about the sequence of genomes and their use in recombinant DNA technology, engineering and recombinant protein expression and modeling of molecular structures, even through bioinformatics methods and the use databases.

In the first module, the student acquires the ability to access and use the main databases of genomics, protein and literature available on the web and introductory elements about most common bioinformatic tools.

In the second module, the student knows the main methods of recombinant DNA, applications for gene expression analysis, for the study of protein-DNA/RNA interaction and for gene manipulation. He also acquires direct practice in DNA cloning in E. coli, purification and analysis of the final construct.


In the third module, the student acquires the basic elements to understand the function of biological molecules based on their chemical and three-dimensional structure. The student acquires direct experience on visualization and analysis of protein structures. Moreover, the theoretical and fundamental elements of  crystallography and nuclear magnetic resonance applied to the study of the 3D structure of biomacromolecules are provided.

 

For each of the topics presented, the student acquires the basic tools for
a practical use, through direct experience in the lab and classroom
computer applications based on web resources.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
Conoscenza dei diversi livelli strutturali delle proteine e loro rappresentazione grafica. 
Interpretazione in termini  strutturali del ripiegamento nello spazio della catena polipeptidica. 
Interpretazione in termini funzionali i siti di legame e i siti catalitici di proteine/enzimi partendo  dalla natura degli amino acidi che li costituiscono.
Interpretazione funzionale di una sequenza nucleotidica nei formati più comuni presenti in basi di dati.
Conoscenza dei formati delle principali basi di dati genomici, proteomici e di letteratura. Conoscenza dei principali strumenti di analisi delle basi di dati. 
Conoscenza delle principali metodologie del DNA ricombinante e delle loro applicazioni.
Riconoscimento ed interpretazione di plasmidi, trasfezioni e infezioni dei plasmidi ricombinanti. Come vengono create le proteine di fusione e loro applicazioni per la purificazione, localizzazione intracellulare, studio delle interazioni proteina-proteina.

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Visualizzare, calcolare e studiare le strutture proteiche con l'uso della grafica molecolare 
Interrogare basi di dati genomiche, proteomiche e di letteratura.
Trovare elementi di omologia ed identità in sequenze nucleotidiche e aminoacidiche e disegnare primers per PCR. 
Eseguire facili manipolazioni di base per il clonaggio e l'analisi del DNA.  
Interpretazione di semplici dati da restrizione di plasmidi e sequenze lineari. 
Capacità di applicare norme di sicurezza nella manipolazione di DNA ricombinante.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO
Riconoscimento di molecole e di strutture in basi di dati o in rappresentazione grafica.
Interpretazione di protocolli di base di biologia molecolare.
Analisi con metodi bioinformatici dell'identità e delle caratteristiche di un gene / proteina.
Valutazione dell'adeguatezza delle diverse tecniche molecolari per i problemi applicativi proposti.

ABILITÀ COMUNICATIVE
Elaborato scritto illustrato sulle atività pratiche in laboratorio molecolare ed informatico.

CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO
Familiarità con banche dati e strumenti disponibili in rete

KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

Knowledge of the different structural levels of proteins and their graphic representation.

Structural interpretation of the folding of the polypeptide chain in 3D space.

Interpretation in terms of functional binding sites and catalytic sites of proteins / enzymes, starting from the nature of the amino acids that constitute them.

Functional interpretation of a nucleotide sequence in the formats commonly found in databases.

Knowledge of the sizes of the main bases of genomic, proteomic and literature data.

Knowledge of the main tools of analysis of databases.

Knowledge of the main methods of recombinant DNA and their applications.

Recognition and interpretation of carriers and systems for recombinant DNA.

 

APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

Visualize, calculate and study the protein structures with the use of molecular graphics

Search genomic, proteomic databases and relevant literature.

Find elements of homology and identity in nucleotide and amino acid sequences and design primers for PCR.

Perform easy basic manipulations for cloning and DNA analysis.

Interpretation of simple data from restriction analysisi of plasmids and linear sequences.

Ability to apply safety standards in the handling of recombinant DNA.

 

JUDGEMENT

Recognition of molecules and structures in databases or in graphical representation.

Interpretation of basic protocols of molecular biology.

Analysis of identity and distinctiveness of a gene / protein with bioinformatics methods.

Assessment of the various molecular techniques for the proposed application problems.

 

COMMUNICATION SKILLS

Written report on molecular laboratory and in silico computational activities.

 

LEARNING SKILLS

Familiarity with databases and tools available on the web.

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Programma

BIOINFORMATICA INTRODUTTIVA

  • Consultazione delle banche dati ENTREZ e ENSEMBL per trovare le caratteristiche dei geni e dei genomi e analisi post-genomiche.
  • Genome browser.
  • Introduzione all'allineamento di sequenze.
  • Banche dati della letteratura biomedica (NCBI PubMed) e altre banche dati biologiche.
  • Introduzione alla tecnica RNA-Seq.
  • Introduzione alla tecnica ChIP-Seq.
  • Esperienze di analisi dati in laboratorio informatico.

 

METODI E APPLICAZIONI DEL DNA RICOMBINANTE

  • Vettori plasmidici e specifiche applicazioni.
  • Ruolo e utilizzo degli enzimi di restrizione e modificazione.
  • Strategie per la clonazione e la produzione di plasmidi ricombinanti.
  • Trasformazione, trasfezione, trasduzione.
  • Produzione di proteine ricombinanti di fusione e purificazione.
  • Analisi delle interazioni in vitro e in vivo: proteina-proteina (saggi in vitro, IP, Co-IP), proteina-DNA (EMSA, ChIP e analisi con qPCR), proteina-RNA (EMSA, RIP, PAR-CLIP, RNA pull down, ChIRP e analisi con RT-qPCR).
  • Modelli transgenici, tecnologie di gene targeting, manipolazione genetica condizionale;
  • Editing genomico: da ZNF e TALEN al sistema CRISPR/Cas9.
  • Clonaggio in frame del gene SOX2 da cDNA in un plasmide ricombinante che ha un tag all'N-terminale (AviTag).
 

STRUTTURISTICA DI BASE DI MACROMOLECOLE

  • Amminoacidi: proprietà e classificazione.
  • Il legame peptidico e la struttura primaria.
  • Gli angoli ψ, φ e il plot di Ramachandran.
  • Elementi della struttura secondaria delle proteine.
  • I principali motivi strutturali: esempi di motivi conservati.
  • Predizione della struttura secondaria delle proteine: metodo di Chou-Fasman.
  • Struttura terziaria e quaternaria.
  • Il folding delle proteine.
  • Forze che guidano il folding.
  • I domini: classificazione e significato funzionale di alcuni domini conservati.
  • Fondamenti di NMR.
  • Fondamenti di cristallografia.
  • Strumenti bioinformatici: visualizzazione di proteine tramite pdb viewer, modelling per omologia.
  • Banche dati proteiche
  • Expasy: mezzi per l'analisi della sequenza proteica
  • Utilizzo del software UCSF Chimera per la visualizzazione e l'analisi di strutture proteiche.

INTRODUCTION TO BIOINFORMATICS

  • Genes, genomes and post-genomic analysis. Using genomic databases: ENTREZ and ENSEMBL.
  • Genome browsers
  • Introduction to basic sequence alignment 
  • Biomedical literature databases (NCBI PubMed) and other biological databases.
  • Introduction to RNA-Seq
  • Introduction to ChIP-Seq
  • Experience of data analysis in informatic lab

 

METHODS AND APPLICATIONS OF RECOMBINANT DNA

  • Plasmid vectors and specific applications.
  • Role and use of restriction and modification enzymes.
  • Strategies for the cloning and production of recombinant plasmids.
  • Transformation, transfection, transduction.
  • Production of recombinant fusion and purification proteins; In vitro and in vivo interaction analysis: protein-protein (in vitro, IP, Co-IP assays), protein-DNA (EMSA, ChIP and analysis with qPCR), protein-RNA (EMSA, RIP, PAR-CLIP, RNA pull down , ChIRP and analysis with RT-qPCR).
  • Transgenic models, gene targeting technologies, conditional genetic manipulation. Genome editing: from ZNF and TALEN to the CRISPR / Cas9 system.
  • Cloning in E. coli a gene from cDNA into a eukaryotic expression vector (digestion with restriction enzymes, ligation, bacterial transformation, extraction and analysis of recombinant plasmids.

 

BASICS IN MACROMOLECULES STRUCTURE

  • Amino acids: properties and classification.
  • The peptide bond and the primary structure.
  • The angles ψ, φ and the Ramachandran plot.
  • Elements of the secondary structure of proteins.
  • The main structural reasons: Examples of conserved motifs.
  • Prediction of the secondary structure of proteins: method of Chou-Fasman.
  • Tertiary and quaternary structure.
  • Protein folding.
  • Forces driving the folding.
  • Domains: classification and functional significance of some conserved domains.
  • Fundamentals of NMR.
  • Fundamentals of crystallography.
  • Bioinformatics tools: visualization of proteins by pdb viewer, modeling by homology.
  • Protein databases.
  • ExPASy: means for analysis of the protein sequence
  • Using software UCSF Chimera for visualization and analysis of protein structures.
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Modalità di insegnamento

DIDATTICA ALTERNATIVA: In caso di permanenza della emergenza sanitaria dovuta al COVID-19, il corso sarà erogato in modalità a distanza su webex oppure, se possibile, in modalità mista (in presenza e live streaming su webex). Le lezioni verranno inoltre registrate e messe a disposizione sulla piattaforma Moodle il giorno della lezione.

Le esercitazioni obbligatorie saranno organizzate in piccoli gruppi in laboratorio a seconda delle regole date dalla situazione sanitaria e, in ogni caso, accessibili live streaming su webex e registrate per essere disponibili sulla piattaforma Moodle.

La frequenza ai laboratori deve essere almeno del 75% su ogni modulo per poter sostenere l'esame.

 

ON LINE TEACHING: In case of persistence of the health emergency due to COVID-19, the course will be delivered remotely or, if possible, both in the lecture room and contemporary live streaming on webex. They will also be registered and made available on the Moodle platform on the day of the lesson.

The mandatory practicals will be organized in small groups in the laboratory according to the rules given by the sanitary situation and, in any case, accessible and live streaming on webex and registered to be available on the Moodle platform.

Attendance at the practicals must be at least 75% on each module in order to take the exam.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consiste in un test con domande a risposta multipla ed aperte, 10 per ognuno dei tre moduli del corso, eseguito di norma al computer sulla piattaforma Moodle.

Data l'emergenza COVID-19, nel caso in cui gli esami vengano svolti a distanza, la supervisione degli studenti verrà effettuata tramite piattaforma Webex. Inoltre, una domanda su uno dei 3 moduli verrà effettuata oralmente e potranno essere effettuate ulteriori verifiche con domande orali a campione.

Vengono inoltre eseguiti test in itinere o richieste relazioni scritte sulle parti pratiche.

Subito dopo l'esame, verranno comunicati tutti i voti (relazioni, test in itinere e quiz finale) allo studente.

Il voto finale per ogni modulo risulterà dal voto dei test/relazione sulla parte pratica e dal test finale. Lo studente potrà decidere se sostenere una integrazione orale solo nel caso in cui la media finale sui 3 moduli sia sufficiente (da 18 in su) o appena insufficiente (da 16 in su) su uno dei 3 moduli.

Per superare l'esame, è necessaria la sufficienza (18) su tutti e 3 i moduli.
Il voto finale, espresso in 30esimi, scaturisce dalla media matematica dei voti sui 3 moduli didattici.

 The exam consists of a test with multiple choice and open questions, 10 for each of the three modules of the course, usually performed on the computer on the Moodle platform.

Given the COVID-19 emergency, in the event that the exams are carried out remotely, students will be supervised via the Webex platform. In addition, a question on one of the 3 modules will be carried out orally and further oral questions can be randomly asked to the students.

In itinere tests or written reports are also requested on the practical parts.

After the final test, all the marks (reports, tests and final quiz) will be communicated to the student. The final mark for each module will result from the test mark / report on the practical part and the final test.

The student can decide whether to take an oral integration only if the final average over the 3 modules is sufficient (from 18 up) or just insufficient (from 16 up) on one of the 3 modules. To pass the exam, a minimal grade (18) on all 3 modules is required.

The final mark, expressed out of 30, comes from the mathematical average of the marks on the 3 teaching modules.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile sulla piattaforma
Moodle di Facoltà:
http://biologia.i-learn.unito.it/

Su questa piattaforma sono disponibili:
• pdf presentazioni delle lezioni
• pdf articoli utilizzati
• esercizi on-line
• simulazioni di test d'esame on-line
• Forum degli studenti su argomenti del corso.

Alla piattaforma si accede attraverso credenziali SCU ed è necessaria la registrazione al corso.


I testi base consigliati per il corso sono:

  • Alcuni capitoli del manuale Fondamenti di bioinformatica 2018 Zanichelli
  • Dale and von Schantz, Dai geni ai genomi, EdiSes Napoli, 2003 oppure
    ReeceRJ, Analisi dei geni e genomi, EdiSes Napoli, 2006.
  • Lewin's GENES XII (Lewins Genes) (English Edition)
  • Branden e Tooze: Introduction to protein structure . Second Edition - Garland Publ Inc..

E' fortemente consigliato l'utilizzo del seguente materiale per
approfondimenti e integrazioni:
- pdf delle presentazioni e appunti delle lezioni;
- articoli presi dalla letteratura come specificato durante le lezioni.

Infine sono di seguito indicati altri siti internet di interesse:
www.expasy.ch
www.rcsb.org/pdb
http://www.biology.arizona.edu/biochemistry/biochemistry.html
www.ncbi.nlm.nih.gov
http://tools.nebs.com
http://www.genome.ou.edu/protocol_book/protocol_index.html

The teaching material presented in class is available on the platform Moodle Faculty:

http://biologia.i-learn.unito.it/

On this platform the followinf items are available:

• pdf presentations of lessons

• pdf items used

• exercises online

• simulations of test exam online

• Forum of the students on the course topics.

 The platform is accessible via SCU credentials and registration is required for the course.

The basic texts recommended for the course are:

- some chapters of the manual Fondamenti di bioinformatica 2018 Zanichelli

- Branden and Tooze: Introduction to protein structure. Second Edition - Garland Publ Inc .

- Dale and von Schantz, From genes to genomes, EdiSES Naples, 2003, or ReeceRJ, analysis of genes and genomes, EdiSES Naples, 2006.

 It is strongly recommended the use of the following material insights and additions:

- PDF presentations and lecture notes;

- Articles taken from literature as specified in class.

Finally other websites of interest are listed below: 

- www.expasy.ch

- www.rcsb.org/pdb

- http://www.biology.arizona.edu/biochemistry/biochemistry.html

- www.ncbi.nlm.nih.gov

- http://tools.nebs.com

- http://www.genome.ou.edu/protocol_book/protocol_index.html



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Note

Curriculum Biomolecolare Cellulare

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    Ultimo aggiornamento: 16/07/2021 15:54
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