Physics of the living cell

Periodo di svolgimento
Ore del corso
45
Ore dei docenti responsabili
45
Ore di didattica integrativa
0
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Modalità esame

Prova orale

Docente

Da Definire

Prerequisiti

IV e V anno corso ordinario di tutte le discipline

(Esame mutuabile anche da studenti di perfezionamento, consigliato per "Nanoscienze", "MEMOS", "Data Science", "Fisica", "Neuroscienze")

Programma

Physics of the living cell

(basic principles, open questions, advanced methods)

  

La cellula come sistema fisico complesso, dinamico: concetti di base e domande aperte

- La struttura cellulare: principi generali

o DNA: un “cristallo aperiodico”

o Procarioti contro Eucarioti

o Compartimentazione

o Il dogma centrale: è ancora valido?

- I confini della cellula

o Struttura a membrana: principi generali

o Dall'omogeneità all'eterogeneità

o Esistono zattere lipidiche?

- La scala subcellulare:

o “Il servizio postale della cellula”: la via endocitica/secretoria (casi di studio su: fossette rivestite di clatrina e granuli di secrezione di insulina)

o Il complesso dei pori nucleari: un organello, una macchina o solo un buco?

o Separazione di fase nella cellula e organelli privi di membrana

- Il ruolo della diffusione/trasporto molecolare:

o Vita in 2D: diffusione/trasporto sulla membrana.

o La vita in 3D: diffusione/trasporto nell'ambiente intracellulare

o Diffusione/trasporto tra nucleo e citoplasma

o Motori molecolari

Come lo sappiamo? (fluorescenza) microscopia per esplorare il mondo biologico

- (Auto)Metodi basati sulla fluorescenza

o Fluorofori cellulari intrinseci

o Microscopia “Label-free”: applicazioni

- Fluorescenza geneticamente codificata

o La proteina fluorescente verde e i suoi mutanti: dall'etichettatura al rilevamento

o Nuove frontiere: coloranti organici per l'imaging di cellule vive

- Metodi basati sulla fluorescenza per sondare le interazioni molecolari:

o Trasferimento di energia per risonanza di Forster

o Metodi a singola molecola/super-risoluzione per svelare cluster proteici

- Metodi basati sulla fluorescenza per sondare la dinamica molecolare):

o Metodi basati sulle perturbazioni: ad es. Recupero della fluorescenza dopo Photobleaching

o Metodi basati sulla fluttuazione: dalla spettroscopia di correlazione di fluorescenza a punto singolo a quella spaziotemporaletemporal

o Metodi basati sulla localizzazione: tracciamento a particella singola

o Tracciamento orbitale e imaging basati sul feedback

La cellula come sistema eccitabile: il ruolo degli scambi ionici

o Una cellula come canale di comunicazione: come si codificano le informazioni in un sistema vivente? Come creiamo un canale di comunicazione? I limiti della diffusione come canale di comunicazione

o Come si codifica lo stato interno di una cellula eccitabile? Potenziale di membrana come equilibrio tra diffusione e deriva elettroforetica: equazione di Nernst

o Codifica e trasmissione dell'informazione per propagazione del potenziale di membrana: circuiti equivalenti ed equazione del telegrafo

o La vita è complicata: equazione telegrafica non lineare. Modello di Hodgkin e Huxley per il potenziale d'azione

o Ulteriore elemento di complessità: l'equazione di Nernst-Plank.

o Comunicazione intercellulare: trasmissione sinaptica. Dal modello elettrico equivalente alla trasmissione ed elaborazione del segnale.

o Le conseguenze del collegamento in rete delle cellule: oscillazioni e ritmo nel cervello

Come lo sappiamo? Metodi per studiare l'elaborazione del segnale nel cervello vivente

o Misurazione delle correnti ioniche: dall'assone di calamaro al patch clamp.

o Il cervello come rete: metodi ottici per decodificare lo stato interno del cervello

o Attività di decodifica da lontano: attività della popolazione rispecchiata dal campo elettrico extracellulare. Analisi spettrale per principianti.

 

Obiettivi formativi

Apprendimento dei principi di base che regolano la struttura e l'attività delle cellule, con particolare attenzione ai processi alla nanoscala. Apprendimento delle metodiche più avanzate di indagine dei meccanismi presentati. Conoscenza degli ambiti di frontiera della ricerca sulla scala cellulare e sub-cellulare.

Riferimenti bibliografici

Phillips et al. Physical Biology of the Cell