Fundamentals of biophysics at the nanoscale

Periodo di svolgimento
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Info sul corso
Ore del corso
60
Ore dei docenti responsabili
60
CFU 9
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Modalità esame

Orale

Prerequisiti

Consigliato per il corso di perfezionamento in Nanoscienze, suggerito per i corsi in Neuroscienze, Chimica, 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 (40 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 [6]. Proteine fluorescenti e loro fotofisica [4]


Basi di biologia molecolare e cellulare (14 ore) [5]

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)


Basi di elettrofisiologia e microscopia in vivo (6 ore)

Obiettivi formativi

Fornire le basi (anche teoriche) per comprendere quantitativamente esperimenti in biofisica molecolare e cellulare alla nanoscala; 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