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Oggetto:
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LABORATORIO DI METODOLOGIE BIOCHIMICHE E MICROBIOLOGICHE

Oggetto:

LABORATORY OF METHODS IN BIOCHEMISTRY AND MICROBIOLOGY

Oggetto:

Anno accademico 2018/2019

Codice dell'attività didattica
MFN0415
Docenti
Dott. Francesca Valetti
Dott. Francesco Cerutti (Titolare, Responsabile del corso)
Corso di studi
Scienze Biologiche D.M. 270
Anno
3° anno
Periodo didattico
II semestre
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
8
SSD dell'attività didattica
BIO/10 - biochimica
BIO/19 - microbiologia generale
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Inglese
Modalità di frequenza
Lezioni facoltative e esercitazioni obbligatorie
Tipologia d'esame
Scritto
Prerequisiti

Conoscenze inerenti alla struttura e funzione della cellula procariota, alle modalità di interazione tra batteri e cellula ospite, alla patogenesi batterica e alla struttura e funzione degli antibiotici. Tali conoscenze sono fornite attraverso l'insegnamento Microbiologia Generale (secondo anno-SVB0024-)
Conoscenze inerenti alla struttura base delle proteine e degli enzimi. Tali conoscenze sono fornite attraverso l'insegnamento Biochimica (secondo anno-MFN1365-)

Structure and function of prokaryotic cell, dynamic of bacteria-host cells interaction, bacterial pathogenesis and structure/function of antibiotics. This knowledge is provided by General Microbiology course (second year-SVB0024-)
Proteins and enzymes structure. This knowledge is provided by Biochemistry course (second year-MFN1365-)
Propedeutico a

Attività professionalizzante di laboratorio, propedeutica per l'approfondimento nel settore biochimico e biomolecolare per le lauree magistrali. Propedeutico all'insegnamento di Virologia (primo anno Laurea magistrale Biologia Cellulare e Molecolare -MFN1189-)

Professionalizing for laboratory activities. Preparatory for biochemical and biomolecular degree courses and Virology (-MFN1189-)
Oggetto:

Sommario del corso

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Obiettivi formativi

In accordo con le  finalità formative del corso di laurea in Scienze Biologiche,  l'insegnamento fornisce agli studenti un quadro teorico e pratico di alcune delle principali metodologie biochimiche e microbiologiche attualmente impiegate in diversi campi tra cui quello industriale, biomedico e ambientale attraverso lezioni teorico-pratiche ed esperienze di laboratorio.

 

Modulo Metodologie Biochimiche

Nel dettaglio verranno fornite le basi per la conoscenza teorico-pratica delle più importanti metodologie di:

- Estrazione;

- Purificazione;

- Caratterizzazione strutturale e catalitica delle proteine e approfondimento delle più recenti tecniche applicative. 

 

 Modulo Microbiologia applicata

Al termine del corso gli studenti dovranno avere acquisito una buona conoscenza di diversi aspetti della Microbiologia applicata, tra cui:

- Principali batteri patogeni per l'uomo e patologie ad essi correlate;

- Metodiche attualmente impiegate nella diagnostica batteriologica e competenze tecniche nell'analisi critica dei risultati;

- Resistenza agli antibiotici, meccanismi e strategie di prevenzione;

- Impiego dei microrganismi nei processi industriali e produttivi;

- Utilizzo dei microrganismi nei processi di biorisanamento ambientale;

- Nuove strategie di produzione di vaccini;

- Applicazione del Next Generation Sequencing in ambito microbiologico

 

In accordance with the general aim of the degree in biological sciences, the course gives an overview of the main methodologies and techniques in biochemistry and  microbiology. The fields of application are industrial, clinical, and environmental.  Lectures and lab practicals are devoted to prepare the students to applicative approaches and to lab activity.

 

Methods in Biochemistry Module

Theoretical and practical basis of:

- Protein extraction;

- Purification;

- Structural/functional enzyme characterisation and most advanced protein studies methods.

 

Applied Microbiology Module

At the end of the course students should acquire knowledge and lab skills in:

- Main pathogenic bacteria and their identification and pathology;

- Diagnostic methods in bacteriology and critical analysis of results;

- Antibiotic resistance, mechanism and prevention strategies;

- Microorganisms in industry and production;

- Bioremediation mediated by microbes;

- Innovative vaccinal strategies;

- Next Generation sequencing in microbiology

 

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

 Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà dimostrare di possedere le seguenti conoscenze e competenze, coerenti con la definizione del profilo del laureato in Scienze Biologiche:

 

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE                                                         

L'allievo dovrà essere in grado di orientarsi correttamente sulla scelta delle procedure biochimiche per l'analisi e la purificazione di macromolecole da utilizzare in laboratorio (ed essere consapevole dei limiti delle stesse). Le tecniche illustrate nel modulo biochimico sono quelle di base applicabili in molti laboratori non strettamente dedicati alla biochimica delle proteine.

Lo studente dovrà aver compreso le applicazioni delle metodiche evidenziate nei diversi ambiti della microbiologia, in campo medico, industriale e ambientale. Le attività di laboratorio consentiranno di approfondire sia le tematiche affrontate a lezione che le "buone pratiche di laboratorio" e sicurezza.

 

 CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE                  

Al termine delle lezioni e delle attività di laboratorio, lo studente dovrà dimostrare le seguenti capacità:

Modulo Metodologie Biochimiche

- Saper scegliere i protocolli per estrarre molecole biologiche da tessuti e cellule;

- Saper selezionare le metodologie e applicare cromatografia, elettroforesi, spettroscopia allo studio delle molecole biologiche; 

- Purificare proteine ed enzimi mantenendo l'integrità strutturale e funzionale;

- Analizzare e dosare macromolecole biologiche, in particolare proteine, e piccole molecole di interesse biologico, in particolare coenzimi, substrati e prodotti di reazioni enzimatiche;

- Allestire semplici saggi di misura dell'attività enzimatica e valutare il corretto inserimento nella apoproteina di cofattori vitaminici e metallici.

 

Modulo Microbiologia Applicata

- Conoscere le principali tecniche microbiologiche utili alla diagnosi di infezioni batteriche;

- Selezionare criticamente l'utilizzo delle tecniche conosciute sulla base del quesito tecnico-diagnostico;

- Saper identificare e descrivere una popolazione batterica pura e mista (piastratura su terreni, analisi della morfologia delle colonie, identificazione biochimica, suscettibilità ad agenti antibiotici);

- Saper comprendere ed applicare analisi di metabarcoding batterico.

 

Competenze trasversali di laboratorio

- Svolgere rapidamente calcoli di diluizione, molarità, conta cellulare, equazioni dimensionali applicate in laboratorio;

- Gestire indipendentemente lo spazio, il tempo e l'ordine della propria postazione di lavoro e del materiale comune;

- Gestire consapevolmente la sicurezza in laboratorio, anche attraverso la pratica di attività a rischio (utilizzo di bunsen, cappa chimica, acidi, manipolazione di batteri, uso di sostanze classificate es. acrilammide);

- Affrontare l'utilizzo di apparecchiature scientifiche complesse (spettrofotometro, HPLC, elettroforesi).

 

AUTONOMIA DI GIUDIZIO                                                                                              

Lo studente dovrà dimostrare autonomia di giudizio e valutazione dei risultati sperimentali ottenuti in laboratorio grazie al confronto con il proprio team di lavoro e alle competenze tecnico-scientifiche acquisite.     

ABILITÀ COMUNICATIVE                                                                                                   

Acquisizione di competenze inerenti alla comunicazione dei risultati sperimentali mediante l'utilizzo di un linguaggio tecnico-scientifico adeguato. Capacità di lavorare in team, analizzando le criticità operative riscontrate e adottando misure di correzione condivise e appropriate.

Students must acquire the following knowledges and competences, which are coherent with the profile of the Degree in Biological Sciences :

 

KNOWLEDGE & UNDERSTANDING

Main lab techniques in biochemistry for analysis and purification of macromolecules with a focus on proteins and enzymes. The biochemistry methods cover the basics used in any molecular biology labs. 

Main methods in different areas of microbiology for clinical, industrial and environmental applications. Lab practicals deal with the topics mentioned above as well as the safety and "good lab practices".

 

APPLYING KNOWLEDGE & UNDERSTANDING

Biochemistry Methods Module

- Choosing protocols for macromolecules and protein extraction from cells and tissues;

- Methodology selection and application of chromatography, electrophoresis and spectroscopy to biological molecules studies;

- Proteins and enzymes purification maintaining structural/functional properties;

- Analysis and quantitation of macromolecules and small molecules of biological interest (coenzymes, substrates and products of enzyme reaction);

- Setting simple enzyme activity assays and evaluating vitamin and metal cofactor insertion into the apoprotein.

 

Applied Microbiology Module

 

- Knowledge of the main techniques in microbiology for diagnosis of bacterial infections;

- Critical selection of techniques in relation to the diagnostic query;

- Identification and description of pure or mixed cultures (plating on selective and differential media, morphological analysis, biochemical identification and antibacterial susceptibility);

- Isolation and identification of bacteria from different biologic matrices;

- Comprehension and application of analysis of bacterial metabarcoding.

 

Interdisciplinary Lab Skills

- Calculating dilutions, molarity, cell counts, dimensional equations for lab applications;

- Space/time organization of lab work. Maintenance of own workstation and management/cleaning of common glass and plasticware;

 - Safety in lab with real practice of risks: bunsen, classified chemicals, chemical fume hood, bacterial manipulation;

- Usage of complex instruments (spectrophotometer, HPLC, electrophoresis).

 

 INDIPENDENCE IN JUDGMENT

Judgment of experimental results is required, as well as team work discussion and dealing with the distribution of technical/scientific competences and responsibilities.

 

COMMUNICATION SKILLS

 Students will be required to demonstrate an adequate technical and scientific lexical richness to expose the experimental results. Team work will be encouraged and promoted via the evaluation of the capacity of sharing competences, discussing criticality and adopting corrective strategies. 

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Modalità di insegnamento

L'insegnamento nella sua totalità prevede lezioni frontali in aula e attività di laboratorio volte all'approfondimento pratico delle nozioni impartite.

Modulo Metodologie Biochimiche: si articola in 18 ore di lezione, 20 ore di laboratorio (5 incontri di 4 ore) su un progetto complessivo di purificazione  e caratterizzazione di una proteina ricombinante (su cui è richiesto lo svolgimento di una relazione oggetto di valutazione) e 8 ore (2 incontri da 4 ore) di laboratorio open day con esperienze guidate ma organizzate e gestite dagli studenti.

Modulo Microbiologia Applicata: si articola in 30 ore di didattica frontale e in 12 ore di attività di laboratorio nelle quali verranno approfondite le tecniche trattate a lezione. Al termine del corso gli studenti presenteranno, a gruppi, un paper scientifico che varrà come bonus per l'esame.

La frequenza alle lezioni ed esercitazioni in aula è facoltativa, la frequenza ai laboratori è raccomandata al 100% (eventuali sovrapposizioni con concomitanti insegnamenti, laboratori, esoneri verranno tenute in considerazione nella pianificazione del calendario delle attività) e non potrà comunque essere inferiore al 75% come da regolamento del corso di studi.

Course includes theoretical lessons and laboratory activities.

Biochemistry Methods Module: the course includes 18 hours of frontal lessons, 20 hours of laboratory activities (five sessions of 4 hours) for an experimental procedure consisting in the purification and characterization of a recombinant protein (with a final report that will be rated), and 8 hours (4 hours each session) of open-day laboratory in which students may manage laboratory activities.

Applied Microbiology Module: the course includes 30 hours of frontal lessons and 12 hours of laboratory activities in order to deepen practical techniques, explained during theoretical lessons. At the end of the course, students will present a scientific paper that will constitute a bonus for the exame.

Attendance at theoretical lessons is optional but strongly encouraged, attendance at laboratory activities is recommended to be 100% (any overlap with concomitant courses/ laboratories will be taken into account in the timetable planning). In any case, attendance must be higher than 75%, according to the course guidelines.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'apprendimento verrà verificato attraverso una prova scritta comune nella quale gli studenti verranno valutati sia per il modulo di Metodologie Biochimiche che per il modulo di Microbiologia Applicata. Gli appelli della sessione autunnale e primaverile saranno orali.

 

Esame scritto di Metodologie Biochimiche: l'esame sarà costituito da tre domande semi-strutturate (4 punti ciascuna, su aspetti tecnici e teorici di cromatografia, spettroscopia e elettroforesi inclusi problemi sperimentali) e da 4 domande a scelta multipla (1 punto ciascuna, su nozioni base delle tecniche) per un totale complessivo di 16 punti. Il tempo della prova è 60 minuti. Ulteriori 16 punti saranno così suddivisi: 12 punti per la relazione di laboratorio e 4 punti per il quaderno di laboratorio.

Esame scritto di Microbiologia Applicata: l'esame sarà costituito da 5 domande aperte (4 punti ciascuna) e 5 domande a crocette (2 punti ciascuna) che verteranno sulle nozioni acquisite durante le lezioni frontali e sulle tecniche apprese durante le attività di laboratorio. Le domande aperte saranno valutate con un punteggio maggiore in quanto consentiranno di prendere in considerazione la chiarezza espositiva e concettuale, l'utilizzo di una terminologia scientifica appropriata e l'approccio analitico/critico dello studente nei confronti di problematiche di laboratorio.  Il tempo della prova è 60 minuti. Il voto sarà espresso in trentesimi.

Voto complessivo: è costituito dalla media ponderata dei punteggi in trentesimi riportati per i singoli moduli. Lo studente che ha superato l'esame potrà richiedere il miglioramento del suo voto con una domanda orale.

Esame orale nelle sessioni autunnali/primaverili: lo studente verrà valutato mediante 3 domande per modulo sulle attività di laboratorio svolte (con esercizi pratici da svolgere) e sulle nozioni impartite durante le lezioni frontali. Il voto sarà espresso in trentesimi e sarà rappresentato dalle medie ponderate delle votazioni inerenti ai due moduli.

 

Students will be evaluated by an overall written test for both the Biochemistry and Microbiology module. Autumn and spring sessions will be oral.

 

Biochemistry Methods Exam: three semi-structured questions (4 points each, on technical and theoretical aspects of chromatography, spectroscopy and electrophoresis including experimental problems) and 4 multiple choice questions (1 point each, basis of learned techniques) (16 overall points). The written exam will last 60 minutes. Additional 16 points will be divided as follows: 12 points for lab report and 4 points for the laboratory student book.

Applied Microbiology Exam: 5 open questions (4 points each) and 5 multiple choice questions (2 points each) focused on the knowledge acquired during lessons and techniques. Clarity and appropriate use of scientific and analytical lexicon will be positively evaluated. The written exam will last 60 minutes.

Overall score: average score of individual modules. Improvement of the overall score may be performed with oral questions.

Oral exam in autumn/spring: three questions per module regarding both lessons and laboratory activities. The average of both modules will compose the overall score.

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Programma

Modulo Metodologie Biochimiche

- Introduzione:  composti biologici da analizzare e caratterizzare. Condizioni da rispettare in vitro (pH, forza ionica, condizioni redox, viscosità, ecc.);
- Soluzioni tampone: calcoli e preparazione con esempi in aula e con esercitazione pratica di 4 ore;
- Tecniche di estrazione di macromolecole: tessuti animali e vegetali (tecniche di omogeneizzazione), organismi monocellulari (colture microbiche). Metodi di recupero di proteine esocellulari, endocellulari e di membrana. Tecniche di lisi di pareti e  membrane;

- Solubilità delle proteine e tecniche di precipitazione. Centrifugazione e ultracentrifugazione: applicazioni per tecniche preparative e cenni alle applicazioni analitiche. Filtrazione, dialisi, concentrazione del campione. Congelamento e liofilizzazione;

- Tecniche cromatografiche: cromatografia su strato sottile. Matrici cromatografiche per LC, FPLC, HPLC, vantaggi e svantaggi d'uso e applicazioni. Cromatografie su colonna: scambio ionico, interazioni idrofobiche, gel filtrazione, affinità (con esercitazione pratica di 4 ore), cromatofocusing. HPLC (con esercitazione pratica di 4 ore), FPLC, gas-cromatografie. Esempi di applicazione tramite la presentazione di dati sperimentali;

- Utilizzo di tecniche spettrofotometriche, richiamo alla legge di Lambert- Beer.
Saggi colorimetrici di uso comune. Metodi di dosaggio proteico e di valutazione dell'attività enzimatica (con esercitazione pratica di 4 ore);

- Tecniche elettroforetiche, SDS-PAGE (con esercitazione pratica di 4 ore), isoelettrofocalizzazione, elettroforesi bidimensionale, tecniche di densitometria, elettroeluizione, blotting ed elettroblotting. Colorazioni specifiche e aspecifiche per elettroforesi di proteine e glicoproteine. Cenni al Western blotting;

- Utilizzo di tecniche spettroscopiche in biochimica per studi teorici e applicazioni (dicroismo circolare, fluorescenza, NMR, EPR, spettroscopia di assorbimento atomico, IR, Raman) con basi elementari della tecnica e enfasi sulle informazioni ottenibili da ciascuna tecnica tramite numerosi esempi.

Modulo Microbiologia Applicata

- Breve introduzione sul microbiota: l'approccio metagenomico;

- La diagnosi delle infezione batteriche: principali metodiche utilizzate;

- Gli antibiotici: il concetto di resistenza e lo sviluppo di nuove molecole antibatteriche;

- Principali batteri patogeni per l'uomo (infezioni delle vie aeree, infezioni sessualmente trasmesse -IST-, infezioni del tratto gastrointestinale, malattie trasmesse da alimenti -MTA-, infezioni per contatto diretto, infezioni trasmesse da vettore);

- Principali applicazioni dei microrganismi nei processi industriali: in campo alimentare (produzione di birra, distillati, aceto, vino, yogurt, formaggio), in campo sanitario (produzione di antibiotici), in campo industriale e di ricerca (produzione dei enzimi, produzione di bioetanolo);

- Principali applicazioni dei microrganismi in ambito ambientale: monitoraggio degli inquinanti in ambienti idrici o terrestri, biorisanamento di ambienti inquinati, trattamento acque reflue, monitoraggio microbiologico delle acque sorgive e potabili;

- Nuove strategie vaccinali e potenziali applicazioni.

Biochemistry Methods Module

-       Sample preparation for biochemical analysis, protein compatible buffers (4 h practical) and detergents. Purification of intracellular and extracellular proteins.

-       Protein solubility and precipitation techniques. Filtration, dialysis

-       Chromatography: IEXC, gel filtration. Cutting-edge chromatography techniques for protein purification (affinity chromatography with 4 h practical), HPLC (4 h practical), FPLC, gas-cromatography. Analysis of experimental data.

-       Lambert-Beer Law and spectrophotometric assays for protein quantitation (Lowry, Bradford, Bicinchonic Acid ) and for enzyme activity. (4 h practical)

-       Electrophoresis techniques for purity check. SDS-PAGE, (4 h practical) IEF and 2D electrophoresis for proteomics. Protein blotting and decoration

-       Spectroscopy for protein 2ary and 3ary structure studies (CD, fluorescence, NMR, EPR, AS, IR, Raman): application and basis of structural/functional data obtained. Discussion on experimental protocols with practicals on data analysis.

Applied Microbiology Module

- Brief introduction on microbiota: the Metagenomic approach;

- Methods in diagnosis of bacterial infection;

- Antibiotics: mechanisms of bacterial resistance and development of new antibacterial molecules;

- Pathogenic bacteria in human pathology (respiratory tract infections, sexually transmitted infections -STI-, gastrointestinal tract infections, foodborne diseases, direct contact infections, vector-borne infections);

- Main applications of microorganisms in industrial processes: food industry (production of beer, distillate, vinegar, wine, yogurt, cheese), health (antibiotic production), industry and research (production of enzymes, bioethanol production);

- Main applications of microorganisms in the environmental field: monitoring of pollutants in aquatic or terrestrial environments, bioremediation of polluted environments, waste water treatment, microbiological monitoring of potable water;

- New vaccine strategies and potential applications.

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Testi consigliati e bibliografia

Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile sul sito del corso.
testi consigliati:

R. Reed, D. Holmes, J. Weyers, A. Jones. Metoidologie di base per le scienze biomolecolari. Zanichelli (2002)

IC Wilson, J. Walker. Metodologia biochimica: le tecniche biochimiche in laboratorio. Ed. Raffaello Cortina (1995).
R.L. Dryer, G.F. Lata. Metodologia biochimica Ed. Delfino (1993).

Slides, protocols and technical details are available on the course
website
Reference textbooks:

R. Reed, D. Holmes, J. Weyers, A. Jones. Metoidologie di base per le scienze biomolecolari. Zanichelli (2002)

IC Wilson, J. Walker. Metodologia biochimica: le tecniche biochimiche in
laboratorio. Ed. Raffaello Cortina (1995).
R.L. Dryer, G.F. Lata. Metodologia biochimica Ed. Delfino (1993).

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Orario lezioni

Nota: Consultare la tabella degli orari pubblicata sull'apposita pagina.

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Note

Curriculum Cellulare Biomolecolare

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Moduli didattici

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Ultimo aggiornamento: 01/03/2019 14:41
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