Fundamentals of Biophysics at the Nanoscale

Periodo di svolgimento
Ore del corso
52
Ore dei docenti responsabili
40
Ore di didattica integrativa
12
‌‌

Modalità esame

Prova orale

Docente

Gian Michele Ratto

Prerequisiti

Consigliato per il corso di perfezionamento in Nanoscienze, suggerito per i corsi in Neuroscienze, Metodi e Modelli per le Scienze Molecolari, adatto anche al corso di perfezionamento in Fisica.
Prerequisiti: principi basilari in ottica, in chimica organica ed inorganica, in meccanica quantistica.

Programma

Misure in microscopia e spettroscopia (modulo da 34 ore) [1-4]

Rumore nelle misure, incertezze sperimentali, cenni su distribuzioni di probabilità, propagazione degli errori.
Microscopia in trasmissione, riflessione, epifluorescenza. Ingrandimento e risoluzione; tecniche di contrasto; aberrazioni (sferica, cromatica); cenni su dicroici e filtri ottici.
Microscopia confocale: implementazioni, funzione di allargamento del punto, cenni su deconvoluzione, confronto con microscopia a 2 fotoni e TIRF.
Interazione luce-materia: fondamenti (anche quantomeccanici) e strumentazioni per assorbimento, fluorescenza, Raman, eccitazione a più fotoni. Diagrammi di Jablonski e proprietà della fluorescenza. Fluorofori organici: struttura chimica ed utilizzo in microscopia a fluorescenza. Cenni sui quantum dots. Proteine fluorescenti della famiglia della GFP.
La diffusione ed il moto browniano. Tecniche di microscopia a fluorescenza: colocalizzazione, FRAP e tecniche analoghe, FRET, FLIM (fondamenti, strumenti, metodo dei fasori), FCS, superamento del limite di diffrazione (RESOLFT, STED, F-PALM, SIM), spettroscopia e tracking di singole molecole.

Introduzione alla struttura di molecole biologiche (da concordare con gli studenti) [6]

Basi di elettrofisiologia in-vivo (modulo da 6 ore)

Basi di biologia molecolare e cellulare (10 ore) [5]

vedi didattica integrativa

Proteine fluorescenti e la loro fotofisica (2 ore)

vedi didattica integrativa

Obiettivi formativi

Fornire le basi (anche teoriche) per comprendere quantitativamente esperimenti in biofisica molecolare e cellulare; dare un linguaggio comune in biofisica a studenti con background diversi.

Riferimenti bibliografici

[1] "Introduzione all'Analisi degli Errori", J. R. Taylor (Cap. 1-4, 9, 11)
[2] "Microscopy from the very beginning", Dr. H. G. Kapitza, © Carl Zeiss Jena GmbH, 1997, 2nd revised edition, disponibile on-line
[3] "Introduction to Confocal Fluorescence Microscopy", Michiel Müller, edited by SPIE press (WA, USA), second edition (2006)
[4] "Fluorescence Applications in Biotechnology and Life Sciences", Ewa M. Goldys ed. (2009), pubblicato da John Wiley & Sons (Hoboken, NJ, USA). Cap. 1-6, 9-11, 16.
[5] "Biologia Molecolare della Cellula", B. Alberts et al. (estratti)
[6] "Biophysical Chemistry", Cantor and Schlimmel; Part I

Didattica integrativa

Basi di biologia molecolare e cellulare.

Procarioti vs eucarioti.
Organizzazione generale della cellula eucariotica.
Citoplasma: struttura e trasporto di membrana, compartimenti intracellulari, il citoscheletro, trasduzione del segnale.
Nucleo: DNA cromosomico e sua organizzazione, il Nuclear Pore Complex e trasporto nucleo-citoplasma.
Ciclo e divisione cellulare. Morte cellulare.
Tecniche di laboratorio in biologia (Metodi di isolamento delle cellule e crescita in coltura; metodi di purificazione e analisi di proteine, DNA e RNA: metodi di trasfezione; studio dell’espressione e della funzione dei geni; marcatura di molecole di interesse: strategie e limiti)