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CELL BIOPHYSICS
RANIERI BIZZARRI
Academic year2023/24
CoursePHYSICS
Code386BB
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
BIOFISICA CELLULARE // CELL BIOPHYSICSFIS/03LEZIONI36
RANIERI BIZZARRI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Mario Ageno, il primo biofisico italiano, definì la biofisica come la scienza che si occupa dello studio degli organismi viventi quali sistemi fisici complessi, con un’impostazione concettuale che consenta di evidenziare il collegamento logico tra il mondo biologico e i principi generali e fondamentali della fisica. Secondo Ageno, i problemi fondamentali a cui la biofisica deve rispondere sono essenzialmente due: 1) proporre un modello fisico di organismo che riesca a dar conto di tutti quegli aspetti del vivente che la biologia funzionale e la biologia evolutiva descrivono, 2) spiegare il suo spontaneo formarsi, in appropriate condizioni, in un sistema complesso inizialmente sterile.

L’obiettivo di questo corso è quello di fornire le conoscenze che rispondono a queste domande, identificando nella cellula la base costitutiva degli esseri viventi e considerandola, secondo le parole dello stesso Ageno “ un sistema chimico coerente, dotato di programma”

Più in particolare, il corso fornirà conoscenze sulle proprietà generali dei sistemi molecolari che caratterizzano la vita, tra cui: 

  • Il ruolo della struttura tridimensionale nelle interazioni molecolari e il modello allosterico come trasduttore di stimoli
  • Il ruolo delle forze “entropiche” (es: effetto idrofobico, diffusione) alla nanoscala nei processi biologici
  • La formazione e stabilità dei processi biologici in condizioni non di equilibrio, inclusi i motori molecolari
  • La fisiologia delle cellule eccitabili
  • L’organizzazione in nano/mesostrutture prive di membrana (raft lipidici, condensati molecolari)
  • La regolazione dei processi biologici (in particolare: metabolismo e trascrizione) ed il ruolo dell’informazione
  • L’evoluzione molecolare

Si darà anche rilevanza a metodologie biofisiche all’avanguardia per lo studio biofisico dei fenomeni cellulari, specie nell’ambito della microscopia ottica, con esempi dalla ricerca attuale del docente.

Knowledge

Mario Ageno, the first Italian biophysicist, defined biophysics as the science that deals with the study of living organisms as complex physical systems, with a conceptual approach that allows to highlight the logical connection between the biological world and the general and fundamental principles of physics . According to Ageno, the fundamental problems that biophysics has to answer are essentially two: 1) to propose a physical model of an organism that is able to account for all those aspects of the living that functional biology and evolutionary biology describe, 2) to explain its spontaneously form, under appropriate conditions, in an initially sterile complex system.

The objective of this course is to provide the knowledge that answers these questions, identifying the cell as the constitutive basis of living beings and considering it, in Ageno's own words, "a coherent chemical system, endowed with a program"

More specifically, the course will provide knowledge on the general properties of the molecular systems that characterize life, including:

  • The role of three-dimensional structure in molecular interactions and the allosteric model as transducer of stimuli
  • The role of "entropic" forces (eg: hydrophobic effect, diffusion) at the nanoscale in biological processes
  • The formation and stability of processes under non-equilibrium conditions, including molecular motors
  • The physiology of excitable cells
  • The organization in nano/mesostructures without membrane (lipid rafts, molecular condensates)
  • The regulation of biological processes (in particular: metabolism and transcription) and the role of information
  • Molecular evolution

Relevance will also be given to cutting-edge biophysical methodologies for the biophysical study of cellular phenomena, especially in the field of optical microscopy, with examples from the teacher's current research.

Modalità di verifica delle conoscenze

La verifica delle conoscenze avverrà nella forma dell’esame orale, oltre che attraverso gli incontri docente-studenti e il ricevimento.

Assessment criteria of knowledge

The verification of knowledge will take place in the form of an oral exam, as well as through teacher-student meetings and reception.

Capacità

Al termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze per interpretare il funzionamento di una cellula secondo un modello fisico. Tali conoscenze, oltre alla loro rilevanza intrinseca, sono molto importanti per capire e razionalizzare i fenomeni di disfunzione cellulare che sono implicati in patologie rilevanti (es. cancro).

Skills

At the end of the course the student will have acquired the knowledge to interpret the functioning of a cell according to a physical model. This knowledge, in addition to its intrinsic relevance, is very important for understanding and rationalizing the phenomena of cellular dysfunction that are implicated in relevant pathologies (e.g. cancer).

Modalità di verifica delle capacità

Saranno proposti piccoli test informali, in particolare nell’ambito dell’analisi dati, per verificare l’acquisizione di conoscenze su particolari temi (e.s.: diffusione).

Assessment criteria of skills

Small informal tests will be proposed, particularly in the field of data analysis, to verify the acquisition of knowledge on particular topics (e.g.: diffusion).

Comportamenti

Sarà acquisita sensibilità nell’ambito della raccolta e analisi di dati sperimentali relativamente a processi intracellulari ottenuti con modalità biofisiche.

Behaviors

Sensitivity will be acquired in the collection and analysis of experimental data relating to intracellular processes obtained with biophysical methods.

Modalità di verifica dei comportamenti

Saranno proposti piccoli test informali, in particolare nell’ambito dell’analisi dati, per verificare l’acquisizione di sensibilità su particolari temi (e.s.: imaging su cellule in condizioni vitali).

Assessment criteria of behaviors

Small informal tests will be proposed, particularly in the context of data analysis, to verify the acquisition of sensitivity on particular topics (e.g.: imaging on living cells).

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Non è richiesto nessun specifico prerequisito, se non curiosità riguardo alla comprensione analitica dei meccanismi cellulari e sensibilità verso i metodi quantitativi di ricerca. Durante il corso verrà presentata una breve descrizione dei concetti fondamentali della termodinamica per la biologia per colmare eventuali lacune.

Prerequisites

No specific prerequisites are required, except curiosity about the analytical understanding of cellular mechanisms and sensitivity towards quantitative research methods. A short description of fundamental thermodynamics concepts for biology will be presented during the course to fill any background gaps.

Indicazioni metodologiche

Le lezioni saranno svolte in modalità frontale con l'ausilio di slides e filmati.

Il materiale didattico (slides, eventuali articoli) sarà reso disponibile sul sito di elearning e su eventuali altri siti web.

Il docente è disponibile per il ricevimento secondo le modalità riportate sul sito unimap.

Non sono previste prove in itinere.

Teaching methods

The lessons will be carried out in frontal mode with the help of slides and movies.

The teaching material (slides, any articles) will be made available on the elearning site and on any other websites.

The teacher is available for reception according to the procedures indicated on the unimap website.

There will be no ongoing tests.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

A – Il mondo biologico, un brevissimo viaggio in biologia e biochimica (~4 ore)

  • Domanda preliminare: cos'è la vita? Un approccio pragmatico
  • Teoria cellulare moderna: una finestra sulla struttura e l'organizzazione della cellula
  • Microscopia ottica (fluorescenza) per studiare le cellule

B – Vita all'equilibrio (~10 ore)

  • Richiamodi termodinamica dell'equilibrio
  • Forze di bilanciamento: lo spazio conformazionale delle macromolecole biologiche
  • La proteina fluorescente verde: una rivoluzione colorata
  • Le proteine sono i demoni di Maxwell: dalla conformazione spaziale all'integrazione del segnale attraverso l'allosteria e l'energy harvesting
  • La vita in due dimensioni: le membrane
  • La regolazione del legame: nanoconfinamento e affollamento
  • Dettagli in nanoscala mediante microscopia a super-risoluzione ea singola molecola

C – Vita vicina all'equilibrio (~8 ore)

  • Richiamodi termodinamica dei processi irreversibili: sistemi vicini all’equilibrio
  • Diffusione ed equazione di Fick
  • Trasportatori, canali ionici
  • Potenziale di membrana ed eccitabilità cellulare
  • Trasporto nucleocitoplasmatico
  • Come rintracciare le molecole? Tecniche ottiche per lo studio della diffusione

D– Vita lontano dall'equilibrio (~4 ore)

  • Richiamodi termodinamica dei processi irreversibili: sistemi lontani dall’equilibrio
  • Metabolismo energetico
  • Interruttori e motori molecolari

E– Strutture dissipative e loro regolazione (~8 ore)

  • Richiamo di cinetica chimica
  • Non linearità enzimatica e cicli di feedback
  • Oscillazione e caos nei bioprocessi
  • Come regolare il flusso di informazioni dal genotipo al fenotipo e il codice epigenetico

F – Evoluzione molecolare (~5 ore)

  • Cos'è la selezione naturale?
  • Selezione naturale applicata alle molecole: ipercicli e transizioni molecolari
  • Il formalismo di Price e la teoria della selezione dei consanguinei
  • Informazioni in biologia

G – Conclusioni (1 ora)

Syllabus

A – The biological world, a very short journey in biology and biochemistry (~4 hours)

  • Preliminary question: what is life? A pragmatic approach
  • Modern cell theory: a window to cell’s structure and organization
  • Optical (fluorescence) microscopy to investigate cells

B – Life at equilibrium (~10 hours)

  • A recall of equilibrium thermodynamics
  • Balancing forces: the conformational space of biological macromolecules
  • The green fluorescent protein: a colorful revolution
  • Proteins are Maxwell’s demons: from spatial conformation to signal integration through allostery and energy harvesting
  • Life in two-dimensions: membranes
  • The regulation of binding: nanoconfinement and crowding
  • Nanoscale details by super-resolution and single-molecule microscopy

C – Life close to equilibrium (~8 hours)

  • Recall of thermodynamics of irreversible processes: systems close to equilibrium
  • Diffusion and the Fick equation
  • Transporters, ionic channels
  • Membrane potential and cell excitability
  • Nuclecytoplasmic transport
  • How to track molecules? Optical techniques to study diffusion

D– Life far from equilibrium (~4 hours)

  • Recall of thermodynamics of irreversible processes: systems close to equilibrium
  • Energy metabolism
  • Switches and molecular motors

E– Dissipative structures and their regulation (~8 hours)

  • A recall of chemical kinetics
  • Enzyme non-linearity and feedback cycles
  • Oscillation and chaos in bioprocesses
  • How to regulate the flow of information from genotype to phenotype and the epigenetic code

F – Molecular evolution (~5 hours)

  • What is natural selection?
  • Natural selection applied to molecules: hypercycles and molecular transitions
  • The Price formalism and the kin selection theory
  • Information in biology

G – Conclusions (1 hour)

Bibliografia e materiale didattico

Oltre alle slides del corso (che saranno messe a disposizione di tutti gli studenti al termine di ogni lezione), alcuni argomenti sono trattati dai seguenti libri:

  • Phillips et al. "Physical Biology of the Cell", Garland Science-Taylor and Francis Group, 2nd edition, 2012
  • B. Jackson "Molecular and Cellular Biophysics", Cambridge University Press, 2006
  • M. A. Nowak "Evolutionary Dynamics", Harvard University Press, 2006
Bibliography

Beside the course slides (that will be made available to all students following each lesson), some topics are covered by the following books:

  • Phillips et al. "Physical Biology of the Cell", Garland Science-Taylor and Francis Group, 2nd edition, 2012
  • B. Jackson "Molecular and Cellular Biophysics", Cambridge University Press, 2006
  • A. Nowak "Evolutionary Dynamics", Harvard University Press, 2006
Indicazioni per non frequentanti

N.A.

Non-attending students info

N.A.

Modalità d'esame

La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e il docente. Il colloquio inizia con la la descrizione di un articolo che descrive -in maniera generale- un tema biofisico applicato alla cellula (es: i lipid raft di membrana). L’articolo viene preventivamente scelto dallo studente in un gruppo pre-selezionato dal docente o proposto dallo studente stesso e approvato dal docente. A partire dall’articolo, la prova si allarga a temi collegati presentati all’interno del corso. La durata del colloquio è di circa 30-40 minuti.

Assessment methods

The oral test consists of an interview between the candidate and the teacher. The interview begins with the description of an article that describes - in a general way - a biophysical theme applied to the cell (e.g.: membrane lipid rafts). The article is previously chosen by the student in a group pre-selected by the teacher or proposed by the student himself and approved by the teacher. Starting from the article, the test expands to connected themes presented within the course. The duration of the interview is approximately 30-40 minutes.

Altri riferimenti web

N.A.

Additional web pages

N.A.

Note

Nessuna

Notes

None

Updated: 07/10/2023 11:18