Molecular and Computational Biology

Modulo Computational Biology

Il corso ha l'intento di fornire le informazioni per comprendere i principi della Biologia Cellulare e Molecolare e le metodologie computazionali utili allo studio delle macromolecole biologiche. Gli obiettivi principali sono la conoscenza delle basi chimiche e molecolari della vita, lo studio delle strutture e funzioni delle cellule, dei meccanismi fondamentali della trasmissione dell’informazione genetica. Le principali conoscenze acquisite dallo studente saranno - l'apprendimento delle basi chimiche e molecolari della vita, e l'applicazione di queste conoscenze allo studio della struttura e delle funzioni della cellula procariotica ed eucariotica - l'apprendimento dei meccanismi di base di duplicazione, trasmissione ed espressione dell’informazione genica - l'apprendimento delle nozioni fondamentali riguardanti la produzione di energia e le trasformazioni energetiche nei viventi ed i principali processi cellulari - lo sviluppo della capacità di comunicare le informazioni acquisite tramite una corretta terminologia - lo sviluppo dell'abilità di esporre in modo sintetico e chiaro le informazioni rilevanti, analizzandole in modo logico e critico.

Lo studente deve avere acquisito le conoscenze di base nel campo della Biologia fornite dai normali programmi di studio delle scuole superiori.

MODULO DI BIOLOGIA CELLULARE E BIOLOGIA COMPUTAZIONALE (5 CFU)

Macromolecole Biologiche Struttura e funzione delle macromolecole biologiche: Carboidrati, Lipidi, Proteine e Acidi Nucleici (DNA e RNA) Organizzazione del DNA: Cromatina e Cromosomi Classificazione degli RNA cellulari Organizzazione del Genoma Umano La cellula Differenze tra cellule procariotiche ed eucariotiche Strutture cellulari: membrana plasmatica, membrane interne, nucleo Meccanismi di trasporto attivo e passivo Trasmissione dell’informazione genetica Geni di I, II e III classe Trascrizione Il codice genetico Sintesi Proteica Mutazioni Mutazioni geniche Mutazioni cromosomiche Polimorfismi Regolazione dell’espressione genica Regolazione della Trascrizione: Fattori di trascrizione, enhancer, silencer. Epigenetica (metilazione, modifiche istoniche) RNA non codificanti (miRNA, siRNA, lncRNA, piRNA, circRNA): Biogenesi e funzione regolatoria. Ruolo dei microRNA, lncRNA e circRNA nel controllo delle funzioni biologiche Regolazione post-trascrizionale. Network di regolazione, interazione RNA-RNA e RNA-proteine. Metodi di analisi dei miRNA Ciclo Cellulare Fasi del ciclo cellulari Duplicazione del DNA Mitosi e Meiosi Cellule staminali Classificazione cellule staminali (totipotenti, pluripotenti). Cenni di medicina rigenerativa. Cenni sui metodi di sequenziamento. 

MODULO DI BIOLOGIA COMPUTAZIONALE (4 CFU) BANCHE DATI E ANALISI : 

utilizzo delle banche dati genomiche e proteiche; informazioni derivanti: contesto genomico, con individuazione di regioni genomiche e trascritti (NCBI, Ensembl). Valutazione di pathway metabolici. Utilizzo della banca dati RefSeq per determinazione di sequenze di DNA, RNA e proteine. Banche dati per le valutazioni fenotipiche e le patologie genomiche (OMIM). ALLINEAMENTO TRA SEQUENZE BIOLOGICHE: Definizioni di match, mismatch e omologia nel confronto tra due o più sequenze; programmazione dinamica nell’allineamento di sequenze (matrici dot-plot e algoritmi dinamici). Introduzione ai gap come parametri di valutazione di un allineamento; matrici di sostituzione PAM e BLOSUM; algoritmo BLAST nella sua versione base e nelle sue varianti (MegaBLAST). Statistica legata all’allineamento svolto: e-value e altri parametri. Allineamento multiplo di sequenze. Costruzione di un albero filogenetico. Matrice PSSM e Hidden Markov Models STRUTTURE PROTEICHE: Richiamo alla struttura di una proteina e metodi sperimentali di rilevazione della struttura 3D (NMR, X-ray, Cryo-EM); banche dati per l’analisi di una proteina: Uniprot (sequenza); PDB e AlphaFold (struttura), KEGG e IntACT (interazioni proteiche). Predizione di struttura secondaria attraverso software che sfruttano reti neurali (JPRED e PSIPRED); Predizione di struttura terziaria attraverso metodi comparativi (Homology Modelling); programmi di grafica che permettono la validazione dei modelli predetti (VMD, PyMol, VIAMD); costruzione di un plot di Ramachandran e utilizzo di parametri analitici come RMSD PRINCIPI DI DOCKING MOLECOLARE: applicazione di software per l’analisi di siti di contatto per sistemi proteina-ligando e proteina-proteina PRINCIPI DI DINAMICA MOLECOLARE: principio base della dinamica molecolare e possibili applicazioni della tecnica, generazione di force field, step di minimizzazione, equilibrazione (NPT e NVT, barostato di Berenden, c-rescale, termostato di Berendsen, ecc…) e produzione (determinazione temporale e applicazione di parametri estermi); validazione di strutture equilibrate e analisi di traiettorie MD. Varianti alla dinamica molecolare classica: metadinamica e Replica Exchange MD

Manuale di Biologia e Genetica R. Alessandro, C. Bucci, S. Fasano Edises Edizione V/2025 

Materiale fornito dal docente

Struttura e funzione delle membrane Classificazione e ruolo degli RNA non codificanti struttura del codice genetico Struttura del genoma umano