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MOLECULAR BIOLOGY AND MICROBIOLOGY
LUCIANA DENTE
Academic year2021/22
CourseBIOTECHNOLOGY
Code004FE
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
BIOLOGIA MOLECOLAREBIO/11LEZIONI60
LUCIANA DENTE unimap
CHIARA GABELLINI unimap
MICROBIOLOGIA GENERALE E ANALITICAAGR/16LEZIONI52
DARIA BOTTAI unimap
ALESSANDRA TURRINI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Il corso è organizzato in due moduli.

Il Modulo di Biologia Molecolare fornisce agli studenti metodi di studio e basi operative per comprendere il funzionamento degli organismi a livello molecolare, con particolare riguardo ai meccanismi di replicazione, trascrizione e traduzione dei genomi.

Il Modulo di Microbiologia generale ed analitica fornisce conoscenze sulle proprietà morfo-funzionali, strutturali e genetiche di Eubatteri, Archea e funghi per un loro possibile utilizzo in campo biotecnologico.

Knowledge

The student who completes the course successfully will be able to demonstrate a solid knowledge of the main issues related to Molecular Biology. In particular: - Structure and properties of nucleic acids and proteins. -Mechanisms of protein synthesis and interpretation of genetic code -Transcription in prokaryotes and eukaryotes and associated factors -Regulation of gene expression. -Mechanisms of DNA replication, replicons, enzymes and associated factors. He or she will be aware of modern approaches of recombinant DNA technology and will acquire the ability to perform basic experiments of DNA transformation in bacteria and purification of plasmid DNA.

The student who successfully completes the course will be able to demonstrate a solid knowledge of the main issues related to Molecular Biology and Microbiology. In particular: structure and properties of nucleic acids and proteins and their functions during replication, transcription and translation mechanisms. The student will have the ability to apply several DNA manipulation techniques for biotechnological exploitation of microbial cells, virus, and eukaryotic cells; will be able to demonstrate a solid knowledge of physiology of microbial cells, of their metabolic flexibility, and growth kinetis: will be able to demonstrate advanced knowledge of recombination mechanisms occurring in microbial cells, yeast included, to delineate the use of viruses,plasmids,and trasposons as genetic vectors for DNA manipulation studies; will be aware of producing molecular protocols for identify bacterial species and to generate recombinant cells for biotechnological purposes.

Modalità di verifica delle conoscenze

Durante l'esame verrà verificato il livello di conoscenza degli argomenti elencati nel programma riportato sotto (contenuti dell'insegnamento). Particolare importanza verrà data alle conoscenze dei meccanismi che regolano  il funzionamento degli organismi e delle cellule a livello molecolare e ai meccanismi legati alla struttura della cellula batterica, al suo metabolismo e alla sua crescita.

 

Assessment criteria of knowledge

During the oral and written exam the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course material and be able to discuss the reading matter thoughtfully and with propriety of expression. - The student must demonstrate the ability to put into practice, with critical awareness, the laboratory activities carried out during the course.

 

Capacità

Al termine del corso:

  • lo studente avrà acquisito le nozioni di base sulla struttura e il funzionamento dei geni, sulla regolazione dell'espressione in cellule e tessuti diversi.  
  • lo studente sarà in grado di effettuare un esperimento di trasformazione in batteri e successiva analisi dei cloni ricombinanti. 
  • lo studente sarà in grado di effettuare un'analisi elettroforetica di DNA plasmidico, utilizzando gel di agarosio.
  • lo studente avrà appreso le nozioni di base sulla struttura della cellula microbica e i criteri classificativi dei batteri
  • lo studente avrà acquisito esperienza diretta delle tecniche microbiologiche classiche e rapide per l’analisi di materie prime, di prodotti e di ambienti per l’identificazione dei microrganismi.

 

Skills

At the end of the course:

  • the student will acquire skills and knowledge on gene structure and functioning and on the regulation of gene expression in different cells and tissues.
  • the student will be able to carry out an experiment of bacterial transformation and analysis of recombinant clones.
  • the student will be able to perform an agarose gel electrophoresis for separating plasmid DNA.
  • the student will acquire basic concepts on microbial cell structure and on taxonomic criteria.
  • the student will acquire direct experience on classic and rapid techniques for the identification of microbes and for the microbial analysis of row material, food and environmental samples.

 

Modalità di verifica delle capacità
  • Durante le sessioni di laboratorio di Biologia Molecolare lo studente dovrà essere capace di effettuare gli esperimenti previsti.  
  • Tramite il compito scritto verrà verificato il livello di apprendimento delle tecniche mostrate durante il laboratorio.  Verranno inoltre poste specifiche domande sulle conoscenze di base di  Microbiologia.  

Assessment criteria of skills
  • During laboratory practices the student will be able to carry out the experiments that will be proposed.
  • The level of knowledge acquired during laboratory practices and lessons both for the module of Molecular biology and Microbiology will be verified by oral/written exam.

 

 

Comportamenti
  • Lo studente potrà acquisire la capacità di lavorare in coppia o in piccoli gruppi per eseguire gli esperimenti durante il laboratorio.
Behaviors
  • The student will be able to work with an another student or in groups of students during laboratory practices.
Modalità di verifica dei comportamenti
  • Durante le sessioni di laboratorio saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte
Assessment criteria of behaviors
  • The student will be evaluated for his/her degree of precision and accuracy during laboratory activities.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Prerequisito cruciale è che lo studente abbia acquisito le conoscenza di base di  Chimica Inorganica-Organica e di Citologia/Istologia

Prerequisites

It is crucial that the student has acquired basic knowledge of Inorganic-Organic Chemistry and of Citology/Histology.

Indicazioni metodologiche
  •  si svolgono le lezioni frontali, con ausilio di slide e filmati
  •  si svolgono esercitazioni in aula e laboratorio (si formano gruppi per effettuare direttamente esperimenti di Biologia Molecolare e Microbiologia. 
  • vengono utilizzate apparecchiature  di base dei laboratori di Biologia Molecolare e di Microbiologia
  • Viene fornito aiuto da personale di supporto o da codocenti
  • Il sito Moodle (https://polo3.elearning.unipi.it) e-learning del corso viene utililzzato per: scaricamento materiali didattici, comunicazioni docente-studenti, pubblicazione dei risultati di compiti scritti, formazione di gruppi di lavoro per i turni di laboratorio.
  • Per l' interazione tra studente e docente vengono utilizzati gli orari di ricevimento e l'uso della posta elettronica.
Teaching methods

Delivery: face to face

Learning activities:

  • attending lectures
  • participation in seminar
  • participation in discussions
  • individual study
  • Laboratory work

 

Teaching methods:

  • Lectures
  • laboratory
Programma (contenuti dell'insegnamento)

_Modulo di Biologia Molecolare_

Introduzione alla Biologia Molecolare: esperimenti cruciali che hanno portato alla scoperta del DNA e al modello di Watson e Crick. Caratteristiche generali delle macromolecole biologiche: proteine, lipidi, carboidrati e acidi nucleici.


  • DNA Costituenti, struttura e proprietà chimico-fisiche del DNA. Complementarietà delle basi. Parametri strutturali della doppia elica. Legami covalenti e non covalenti. Differenze nel riconoscimento della sequenza di basi del DNA lungo il solco maggiore e il solco minore. Tipi diversi di doppia elica. Denaturazione e rinaturazione del DNA. Sistemi di restrizione e modificazione del DNA nei batteri.
  • Tecnologia del DNA Ricombinante Enzimi di restrizione e modificazione. Palindromi e tipi di taglio. Esempi di mappe di restrizione. Tecniche di elettroforesi su gel e trasferimento (Southern transfer).
 Progettazione di sonde. Enzimi utili per marcare il DNA. Metodi di clonaggio per creare molecole ricombinanti. Vettori di clonaggio: fagici- plasmidici- misti. DNA ligasi. Tecnica della PCR. Trasformazione batterica e infezione fagica. Metodi per identificare molecole ricombinanti.  Genoteche di DNA genomico e di cDNA.  Metodi di Sequenziamento: chimico ed enzimatico. Cenni sui metodi di nuova generazione. 

  • RNA Principali tipi di RNA. Caratteristiche strutturali e funzionali di RNA ribosomiali, mRNA e tRNA. Ribosomi. Differenze tra procarioti ed eucarioti. Esoni e introni. Meccanismi di Capping e poliadenilazione. Meccanismo di amminoacilazione dei tRNA. Decodificazione dell’informazione genetica: da DNA a RNA a proteine. Codice genetico: regole. Tabella e triplette. -  

Principali meccanismi molecolari:

  • Sintesi proteica: differenze nei meccanismi di traduzione tra procarioti ed eucarioti. Fase inizio: tRNA iniziatore e fattori accessori. Fase di allungamento e fattori coinvolti. Antibiotici capaci di intervenire nelle diverse tappe della sintesi. Fase di terminazione della traduzione e fattori coinvolti. tRNA soppressori. Fenomeno dell’oscillazione (wobble). Concetto di ORF (open reading frame). Differenze nel codice genetico nei mitocondri.

  • Trascrizione e sua regolazione nei procarioti: RNA polimerasi e fattori associati. Tappe del meccanismo di trascrizione. Concetto di promotore e sequenze consenso. Struttura e funzione dei fattori sigma. Terminatori intrinseci e rho dipendenti. Operoni batterici. Esempi di regolazione (operoni lac e trp). Strategie fagiche: ciclo litico e lisogenico. Topoisomerasi e superavvolgimenti

  • Trascrizione e sua regolazione negli eucarioti: RNA polimerasi I, II, III e fattori associati. Promotori ed enhancers. Struttura e funzione dei fattori di trascrizione. “Motivi” strutturali conservati. Metodi di analisi della trascrizione (gel shift, trattamenti con DNASI, footprinting, mutanti di delezione, geni reporter). Meccanismi epigenetici. Modificazioni degli istoni ed effetti del rimodellamento
della cromatina sulla trascrizione. Metilazione del DNA
. Meccanismi di splicing nuclearee caratteristiche degli “spliceosomi”. Autosplicing di tipo I e II. Splicing dei tRNA. RNA non codificanti regolatori: lnRNA, miRNA e siRNA

  • Replicazione del DNA: repliconi e origini di replicazione (batteri, lievito, eucarioti). Mutanti ad arresto lento e ad arresto veloce. Tipi e caratteristiche delle DNA polimerasi. Meccanismi di replicazione nei batteri, nei fagi filamentosi e litici, negli eucarioti. Terminazione della replicazione. Proteine terminali. Telomeri e telomerasi.

 _Modulo di Microbiologia generale ed analitica_

  • Introduzione alla Microbiologia: Origine ed evoluzione dei microrganismi La scoperta dei microrganismi e lo sviluppo delle discipline microbiologiche.
  • Diversità del mondo microbico Posizione tassonomica dei procarioti nel mondo vivente. Definizione di specie batterica e criteri generali di tassonomia batterica.
  • Struttura della cellula procariotica: Struttura della parete nei batteri Gram-positivi, Gram-negativi ed Archea. Batteri privi di parete. Struttura e biosintesi della mureina durante la crescita e divisione cellulare e composti antibatterici che interferiscono con la sintesi della mureina. Funzione degli acidi teicoici/lipoteicoici, dei polisaccaridi e proteine della parete cellulare dei batteri. La membrana esterna dei batteri Gram-negativi e suoi componenti (proteine porine, periplasma, proteine periplasmatiche, endotossine). La capsula: struttura e funzioni.  Flagelli batterici e Pili. La spora batterica. Caratteristiche morfologico-strutturali delle spore batteriche ed eventi morfologoci della sporificazione. Termoresistenza delle spore. Germinazione e crescita.
  • Rapporto ospite parassita. Adesine, invasine, tossine (esotossine, endotossine). Meccanismo di azione della tossina di Corynebacterium dphtheriae, Vibrio cholerae. Neurotossine di Clostridium tetani e Clostridium botulinum. Neisseria meningitidis, epidemiologia e meccanismi patogenetici.
  • Nutrizione, metabolismo e crescita batterica: Nutrizione e metabolismo energetico. Flessibilità ed adattabilità metabolica. Macroelementi e microelementi. Produzione di energia. Glicolisi e vie alternative. Respirazione aerobica, anaerobica e fermentazione. Andamento della crescita delle popolazioni batteriche in terreno liquido: fase di latenza, di crescita esponenziale, stazionaria e di morte. Fattori che influenzano la crescita batterica: attività dell’acqua, pH, temperatura, O2, pressione.
  • Genetica dei microrganismi: La ricombinazione genica nei batteri: coniugazione e generazione di cellule F+, Hfr; trasduzione generalizzata e specializzata, trasformazione. Richiami al ciclo litico e lisogeno indotti da fagi temperati (lambda) e virulenti (T4). Caratteristiche generali dei plasmidi e trasposoni: Principali tipi di plasmidi naturali, meccanismi di controllo del numero e partizione delle copie. Importanza dei plasmidi nella farmaco-resistenza e patogenicità microbica.
  • I funghi. Cenni sull’organizzazione degli organismi eucariotici. Caratteristiche generali di lieviti e funghi pluricellulari. Struttura, riproduzione, tipi di spore, ciclo vitale, i diversi phyla. La crescita ifale. Produzione di metaboliti secondari.

 

Syllabus

The course include two modules: Molecular Biology and Microbiology.

The Molecular Biology module covers the basic properties of DNA, RNA and proteins involved in regulatory mechanisms of replication, repair, transcription of genomes; describes critically the basic principles of the DNA manipulation techniques, their biotechnological exploitation and application to fundamental research.

The Microbiology course is focused on the knowledge of morphological–functional and structural-molecular properties of Eubacteria, Archea and Yeast, in view of their potential biotechnological use. Describes the physiology of microbial cells, their metabolic flexibility, growth kinetics and basic recombination mechanisms enabling the correct use of viruses, plasmids, and trasposons as genetic vectors.

Bibliografia e materiale didattico
  • Testi di riferimento:

  • - Amaldi et al.: “Biologia Molecolare” (ed. Ambrosiana)

  • - Watson J et al: “Biologia Molecolare del Gene” (ed. Zanichelli)

  • -Lewin.: “Il Gene X o VIII” (ed. Zanichelli)

  • - Dale - von Schantz: “Dai geni ai genomi” (ed. Edises)

          -Gianni Dehò e Enrica Galli “Biologia dei microrganismi”- Casa Editrice Ambrosiana

  • Materiale didattico: 

    articoli scientifici originali e pdf delle lezioni sul sito https://polo3.elearning.unipi.it

Bibliography

 


- Watson J : Molecular Biology

- Lewin B.: “Gene X o VIII” 

- Amaldi: “Biologia Molecolare” (ed. Ambrosiana)
- Dale - von Schantz: “Dai geni ai genomi” (ed. Edises)

 

- G. Dehò E.Galli. Il mondo dei microrganismi, Casa Editrice Ambrosiana. 2011

Recomended reading includes the followings: slides (power point presentations) prepared by the teacher, which include all issues oh the course.

Indicazioni per non frequentanti

I testi consigliati includono i vari argomenti trattati a lezione.

Le lezioni sono facoltative, ma permettono di focalizzare la preparazione su aspetti specifici dei vari argomenti. Il laboratorio è obbligatorio. 

Non-attending students info

Bibliography includes all the subjects described in the syllabus.

Lessons are facultative, but they help in focusing student's study on specific topics. Laboratory is mandatory.

Modalità d'esame

Orale 

Assessment methods

Oral exam

Updated: 31/03/2022 12:29