C.I. DI GENOMICA, PROTEOMICA E METABOLOMICA
CdLM Biotecnologie Mediche, Veterinarie e Farmaceutiche
Il corso tratterà, nei tre moduli da 2 CFU, delle principali scienze “omiche”, cioè quelle discipline che forniscono informazioni utili alla descrizione di sistemi biologici grazie alla generazione di un numero elevato di dati sulle biomolecole presenti nel sistema stesso. In particolare, il modulo di Genomica tratterà delle tecniche di sequenziamento degli acidi nucleici da Sanger ai giorni nostri, ed illustrerà i meccanismi della variabilità genetica alla base delle patologie umane, il modulo di Proteomica tratterà delle tecniche basate su spettrometria di massa per il dosaggio di miscele complesse di proteine, ed infine il modulo di Metabolomica tratterà del dosaggio di metaboliti, sostanze che vengono ottenute da reazioni biochimiche e che sono presenti anche nei fluidi biologici, al fine del loro utilizzo come indicatori di specifici processi cellulari.
Poiché le scienze omiche, prevedono, per definizione, la generazione di una notevole quantità di dati, ai tre suddetti moduli sono associati due insegnamenti che riguardano l’analisi informatica dei dati omici. Nel modulo di Sistemi di Elaborazione delle Informazioni verranno presentate le principali problematiche, metodologie ed i principali strumenti software per la rappresentazione ed analisi bioinformatica dei principali dati biologici (es. dati genomici, proteomici, interattomici). Nel modulo di Bioingegneria, infine, verranno illustrati i concetti basilari dell’ingegneria biomedica e come analizzare e trattare i segnali biologici.
Docente:
Marco Gaspari
gaspari@unicz.it 09613694337 Edificio Corpo G Stanza: Stanza n 3, Livello 3 Ogni giovedì dalle 11 alle 13, previo appuntamento.
SSD:
ING-INF/05 - MED/04 - BIO/10 - CHIM/01 - ING-INF/05
CFU:
8
Scuola di Farmacia e Nutraceutica - Data stampa: 08/10/2024
Lo studente conoscerà come vengono prodotti, e successivamente analizzati per via informatica, i principali dati omici. In particolare, conoscerà:
- I principi di funzionamento degli spettrometri di massa.
- I principali workflow (gel elettroforesi, analisi shotgun, etc) utilizzati in analisi proteomica.
- Le tecnologie usate per l’analisi del genoma.
- I meccanismi responsabili della variabilità genetica.
- Come lo studio del genoma abbia sensibilmente modificato l'approccio terapeutico alla maggior parte delle malattie umane.
- Le alterazioni dei processi metabolici che coinvolgono lipidi e glucidi, spesso correlati a diverse patologie ed anche al cancro.
- La basi della citofluorimetria e relative applicazioni.
- Come è possibile produrre anticorpi monoclonali e quali sono i meccanismi attraverso i quali inducono effetti antitumorali.
- Le metodologie di preprocessamento, gestione ed analisi di tali dati omici.
- I principali segnali biomedici.
- Quali sono le problematiche relative alla misura di grandezze di origine biologica e le principali soluzioni ad esse.
- Le tecniche basilari di analisi ed elaborazione dei biosegnali.
Lo studente sarà inoltre in grado di:
- Analizzare un elettreferogramma ed identificare una variante genetica in omozigosi o eterozigosi;
- Interpretare ed analizzare dati ottenuti mediante NGS
- Identificare una proteina da un dato spettrometrico (PFM, MS/MS).
- Utilizzare i principali software per la bioinformatica.
- Impostare un esperimento di analisi di dati omici (esperimento in silico), individuando le fasi di preprocessing, analisi statistica/data mining dei dati, interpretazione dei risultati.
- Comprendere le principali tecniche di elaborazione ed analisi dei biosegnali.
Modulo di Proteomica (2 CFU)
Metodi di ionizzazione: impatto elettronico (EI), ionizzazione chimica a pressione atmosferica (APCI), elettrospray (ESI), MALDI, nESI. Analizzatori: tempo di volo (TOF), quadrupolo (Q), trappola ionica (IT), orbitrap. Frammentazione delle molecole in EI (cenni). Spettrometria di massa di peptidi e proteine mediante ionizzazione soft (MALDI, ESI). Identificazione di proteine mediante spettrometria di massa. Spettrometria di massa in tandem (MS/MS) e sequenziamento di peptidi. Bioanalisi mediante cromatografia liquida e spettrometria di massa. Analisi proteomica mediante spettrometria di massa: analisi qualitativa e quantitativa (ICAT, SILAC, iTRAQ). Applicazioni della spettrometria di massa biologica: epitope mapping, fosfoproteomica, interazioni proteina-proteina.
Modulo di Genomica (2 CFU)
- Genomica e post Genomica
- Progetto Genoma
- Sequenziamento tradizionale di Sanger
- La PCR: metodo e punti chiave per la sua ottimizzazione (Temperatura, primers, Concentrazione Mg2+, etc)
- La PCR nella diagnostica molecolare: analisi delle mutazioni di EGFR
- Sequenziamento di nuova generazione (NGS): dalla prima alla quarta generazione (procedure sperimentali, applicazioni, vantaggi e svantaggi).
- Trascrittomica ed analisi dei dati di NGS
- MicroArray vs RNA-Seq
- Flusso bionformatico per l’annotazione dei dati NGS
- Evoluzione ed applicazioni dell’ NGS
- Applicazioni nelle malattie neurodegenerative
- Metagenomica
- Immunoterapia, TMB ed instabilità dei microsatelliti
- Dalla ricerca alla Terapia: il sistema OncoKB
- Fondamenti di Bioinformatica
- La variabilità genetica e l'evoluzione biologica
- Allineamento di sequenze
- Le banche dati biologiche
- Esempi di applicazione alla ricerca: TCGA, progetto 1000 genomi, GTEx, progetto microbioma
- Il DNA circolante
- Caratteristiche chimico-biologiche
- Metodi di isolamento e caratterizzazione (BEAMing and Safe-Seq)
- Epigenetica:
- modifiche epigenetiche e la loro applicazione biomedica
- RNA non codificanti: microRNA e lncRNA
- Imprinting genomico
- Utilizzo di tool bioinformatici per l’annotazione e la caratterizzazione di dati NGS ( cBio portal)
Modulo di Metabolomica (2 CFU)
- Introduzione alle scienze -omiche. Descrizione di genomica, trascrittomica, proteomica e metabolomica. Relazione esistente tra le diverse -omiche. Metabolomica e Metabonomica. Lipidomica e glicomica: metodi di studio e implicazioni tumorali.
- Il cancro come malattia metabolica. Neoplasie e metabolismo glicolitico. Effetto Pasteur vs effetto Warburg. Saggi Bioluminescenti per la detection di metaboliti tumorali in vitro.
- La citofluorimetria: principio di funzionamento e compensazione. Utilizzo del citofluorimetro per lo studio della proliferazione cellulare, dell’apoptosi e del ciclo cellulare.
- Anticorpi monoclonali: produzione e alcuni esempi di applicazione terapeutica.
- RT-PCR: il metodo, le sonde fluorescenti, l’analisi.
- Manipolazione genica e metodi di trasferimento genico.
Modulo di Sistemi di Elaborazione delle Informazioni (1 CFU)
PARTE I
- Introduzione alla Bioinformatica. Rappresentazione informatica delle principali entità biologiche (DNA, proteine, ecc). Rappresentazione primaria, secondaria e terziaria delle proteine. Cenni alle Banche dati biologiche (UniProt, PDB)
- Allineamento e similarità di sequenze. Algoritmi per l’allineamento tra sequenze (Allineamento locale, globale, multiplo).
- Predizione della struttura secondaria e terziaria delle proteine.
PARTE II
- Tecniche di analisi data mining (Classificazione, Clustering, Regole Associative)
- Piattaforme per la produzione di dati omici (microarray, mass spectrometry)
- Preprocessing ed analisi di dati genomici (dati gene expression e genotyping)
- Preprocessing ed analisi di dati proteomici (dati MS e MS/MS)
- Preprocessing ed analisi di dati interattomici (Reti di Interazione Proteica)
- Functional Enrichment Analysis (Gene Ontology, Annotazioni, Misure di similarità semantica)
Modulo di Bioingegneria Elettronica e Informatica (1 CFU)
- Parte generale
- Definizione di Bioingegneria, campi applicativi.
- Origine e classificazione dei segnali biomedici.
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- Misura di segnali biomedici
- Schema concettuale di un sistema di acquisizione per misure biomediche
- Problematiche nelle misure biomediche e loro risoluzione
- Principali caratteristiche dei sensori e degli elettrodi
- Tecniche di elaborazione dei segnali
- Dominio del tempo
- Dominio della frequenza
- Dominio tempo-frequenza
- Filtri e amplificatori per biosegnali
Le ore stimate sono 200, di cui 64 ore di didattica frontale e 136 ore di studio individuale.
Lezioni frontali.
Libri di testo
- Metodologie Biochimiche e Biomolecolari (M. Maccarrone, Edizione Zanichelli)
- Biotecnologie molecolari (T.A. Brown, Edizioni Zanichelli)
- Manuela Helmer Citterich, Fabrizio Ferrè, Giulio Pavesi, Graziano Pesole, Chiara Romualdi. FONDAMENTI DI BIOINFORMATICA. Zanichelli (https://www.zanichelli.it/ricerca/prodotti/fondamenti-di-bioinformatica).
- John G. Webster. Medical Instrumentation – Application and Design. John Wiley& Sons Inc. (Modulo di Bioingegneria).
Ulteriori letture consigliate per approfondimento
- Articoli e review forniti a lezione (moduli di genomica, proteomica e metabolomica).
- Stefano Pascarella, Alessandro Paiardini, BIOINFORMATICA, ZANICHELLI (modulo di Sistemi).
- Elderle, S. Blanchard, J. Bronzino. Introduction to Biomedical Engineering. Academic Press
Altro materiale didattico
- Diapositive fornite dai docenti.
Non prevista
Le modalità sono indicate dall’art. 8 del Regolamento didattico d’Ateneo.
Le modalità generali sono indicate nel regolamento didattico di Ateneo all’art.22 consultabile al link http://www.unicz.it/pdf/regolamento_didattico_ateneo_dr681.pdf
L’esame finale sarà svolto in forma orale.
I criteri sulla base dei quali sarà giudicato lo studente sono:
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Conoscenza e comprensione argomento
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Capacità di analisi e sintesi
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Utilizzo di referenze
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Non idoneo
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Importanti carenze.
Significative inaccuratezze
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Irrilevanti. Frequenti generalizzazioni. Incapacità di sintesi
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Completamente inappropriato
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18-20
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A livello soglia. Imperfezioni evidenti
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Capacità appena sufficienti
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Appena appropriato
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21-23
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Conoscenza routinaria
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E’ in grado di analisi e sintesi corrette. Argomenta in modo logico e coerente
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Utilizza le referenze standard
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24-26
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Conoscenza buona
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Ha capacità di a. e s. buone; gli argomenti sono espressi coerentemente
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Utilizza le referenze standard
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27-29
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Conoscenza più che buona
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Ha notevoli capacità di a. e s.
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Ha approfondito gli argomenti
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30-30L
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Conoscenza ottima
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Ha notevoli capacità di a. e s.
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Importanti approfondimenti
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