Academic year2022/23
CoursePHYSICS
Code387BB
Credits9
PeriodSemester 1
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| FISICA DEI BIOSISTEMI | FIS/03 | LEZIONI | 54 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Il Corso è diviso in due parti in cui si intende fornire conoscenze di base in:
Knowledge
The Course will provide basic knowledge concerning:
- Imaging techniques aimed to study biological structures and processes
- Active matter inspired by bio-systems
Modalità di verifica delle conoscenze
Le conoscenze saranno verificate tramite prova orale.
Assessment criteria of knowledge
The knowledge will be assessed by final oral exam.
Capacità
Alla fine del Corso lo studente avra' acquisito capacita' di comprensione e di analisi di studi sperimentali, teorici e computazionali nel campo della fisica dei biosistemi
Skills
At the end of the Course, the student will be able to understand and analyse scientific reports concerning experimental, theoretical and computational studies concerning the physics of bio-systems
Modalità di verifica delle capacità
Le lezioni sono svolte in modo quanto piu' interattivo possibile per verificare che gli studenti acquisiscano le capacita` tecniche e di logica necessarie alla comprensione dei principali aspetti della fisica dei biosistemi
Assessment criteria of skills
Interactive lectures will be given to verify that the students are acquiring the technical and logic skills to understand the basic aspects of the physics of biosystems
Comportamenti
Sara` acquisita capacita` di analisi e di schematizzazione dei principali aspetti della fisica dei biosistemi
Behaviors
The student will be able to analyse scientific studies concerning the basic aspects of the physics of biosystems
Modalità di verifica dei comportamenti
Lezioni interattive e prova orale finale.
Assessment criteria of behaviors
Interactive lectures and final oral examination.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Conoscenze di base in Fisica della Materia e Fisica Statistica.
Prerequisites
Basic knowledge in Condensed-Matter Physics and Statistical Physics.
Indicazioni metodologiche
Lezioni frontali, ricevimenti, utilizzo di e-mail e del sito e-learning per comunicazioni e materiale didattico addizionale.
Teaching methods
Face to face lectures; possibility to discuss personally with the professor once per week; use of e-mail and e-learning site for communication and distribution of additional materials.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
L'insegnamento si focalizza sui principi fisici che caratterizzano la materia attiva, partendo dalla comprensione dei meccanismi che regolano i processi nei sistemi biologici “modello” per arrivare alla caratterizzazione di sistemi e materiali “bio-ispirati”. Particolare attenzione è dedicata alle strutture, alle simmetrie, alle proprietà meccaniche e meccano-sensibili dei sistemi biologici non in equilibrio, coinvolti nello sviluppo di attuatori e materiali innovativi. Inoltre si introdurranno le più recenti tecniche di imaging, sviluppate nel campo della microscopia ottica a super-risoluzione, e le loro applicazioni allo studio dei processi e delle interazioni molecolari in sistemi biologici di interesse.
Programma Fisica dei Biosistemi:
Tecniche di imaging per lo studio di strutture e processi biologici
- Concetto di base di microscopia ottica: risoluzione, point spread function, magnificazione, fluorescenza, quantum yield e brightness, photobleaching e saturazione della fluorescenza, condizione di detection di singola molecola. Principi di microscopia in fluorescenza, fluorofori sintetici, proteine fluorescenti e fotoattivabili, microscopia convenzionale e widefield, sistemi a due lenti.
- Microscopia tridimensionale, sezionamento ottico, microscopia confocale. Microscopia non-lineare e con eccitazione a due fotoni.
- Tecniche di microscopia ottica avanzata, Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), Forster resonance energy transfer (FRET), Fluorescence lifetime microscopy (FLIM), funzione di autocorrelazione e Fluorescence correlation spectroscopy (FCS).
- Limite di diffrazione, Legge di Abbe, Principi di nanoscopia e microscopia a super-risoluzione
- Localizzazione di singola molecola (SML), Precisione di localizzazione e densità molecolare, Photo-activation localization microscopy (PALM), Stochastic optical reconstruction microscopy (STORM), Point accumulation for imaging in nanoscale topography (PAINT), Configurazioni per localizzazione tridimensionale di singole molecule, Effetti indotti dalla polarizzazione.
- Tecniche di nanoscopia a scansione e deplezione mediante emissione stimolata (STED), Reversible saturable optical fluorescence transitions (RESOLFT), applicazioni.
- Metodi ottici per lo studio di campioni biologici spessi e tessuti, illuminazione ortogonale e sistemi di miscoscopia con illuminazione a foglietto di luce e (Light sheet illumination microscopy).
- Nanoscopia a luce strutturata (SIM), Approcci quantitativi, analisi cluster e localizzazione di singole molecule, sistemi di calibrazione nanostrutturati.
- Applicazioni della super-risoluzione allo studio di processi biologici (motori molecolari, microtubuli, DNA, batteri e organismi), Applicazioni delle tecniche di imaging per caratterizzare la materia attiva bio-ispirata.
Materia attiva bio-ispirata
- Sistemi biologici intesi come materia attiva, Perchè studiare la materia attiva, Principi meccanici e statistici che caratterizzano la materia attiva.
- Auto-organizzazione (Self-assembly). Cooperatività. Ruolo del self-assembly in strutture e processi in materia vivente.
- Termodinamica dei piccoli sistemi e teoremi di fluttuazione. Materia attiva: fenomeni di non-equilibrio dissipazione, e produzione di entropia e trasferimento di informazione. Applicazioni: esperimenti di singola molecola (pulling, trapping).
- Metodi teorici e modelli computazionali per materia attiva.
- Materia attiva derivata da componenti del citoscheletro, Motori molecolari, microtubuli, Simmetria della materia attiva citoscheletrica e polimerizzazione. Strutture polari, nematiche ed isotropiche. Network di actina come materiale attivo adattivo. Applicazioni: gel tridimensionali attivi estensibili e contrattili.
- Basi della meccanica cellulare: forma cellulare, trasmissione della forza e migrazione cellulare. Interazioni citoscheletro-membrana e meccano-sensori. Dinamica cellulare e actina. Tessuti e materia attiva (cellule epiteliali, organizzazione cellulare nei tessuti e stress meccanici). Misure sperimentali delle proprietà meccaniche cellulari e subcellulari (Traction force microscopy, optical traps and tweezers).
- Nanotecnologie a DNA e self-assembly programmato (DNA origami), struttura a doppia elica e rigidità, motivi strutturali a DNA, motivi single strand, programmazione e design di strutture a DNA 2D e 3D, DNA origami utilizzato come biomateriale ed applicazioni a sistemi biologici.
- Attuatori bio-ispirati: Nano-swimmers e Micro-swimmers. Idro-Dinamica della materia attiva mobile. Batteri e piccoli organismi come modello per lo sviluppo della materia attiva. Applicazioni ed esempi (bio-hybrid bacterial nano-swimmers e membrane nano-swimmers).
Bibliografia e materiale didattico
Tecniche di imaging:
to be provided
Materia attiva:
to be provided
Bibliography
Imaging techniques:
to be provided
Active Matter:
to be provided
Indicazioni per non frequentanti
Nessuna
Non-attending students info
None
Modalità d'esame
Esame finale orale attraverso colloquio tra il
candidato e il docente anche in forma di domanda/risposta, sui vari
argomenti trattati nel corso.
Assessment methods
Final oral exam with interactive discussion.
Updated: 30/08/2022 12:08
