BIOLOGIA SINTETICA E DEI SISTEMI

La biologia dei sistemi e la biologia sintetica propongono un approccio di ricerca interdisciplinare ai meccanismi alla base del mondo vivente, utilizzando approcci di modellizzazione ed esperimenti di simulazione, per una comprensione integrata ed una visione olistica del funzionamento dei sistemi biologici.

In particolare, integrano ed utilizzano conoscenze e metodologie provenienti da discipline differenti, quali chimica, fisica, biologia, biologia molecolare, microbiologia, biologia cellulare, matematica ed informatica, e applicandole in modo integrato allo studio del mondo del vivente e ad i suoi processi molecolari e cellulari.

L’obiettivo formativo del corso è quello di introdurre lo studente alle tematiche e fornire i principi generali della Biologia sintetica e dei sistemi, nonchè una serie di strumenti metodologici di base provenienti da varie discipline per una comprensione più profonda ed integrata (Biologia dei sistemi) dei meccanismi che controllano i processi biologici al fine di riprogettare e produrre (Biologia sintetica) sistemi biologici (es. circuiti genetici basati su DNA o RNA) già presenti in natura o progettare e fabbricare componenti e sistemi biologici non ancora esistenti, per applicazioni biotecnologiche in campo biomedicale e non.

La Biologia sintetica e dei sistemi può essere considerata, di fatto, la nuova generazione dell’ingegneria genetica, vista con un approccio integrato in cui la cellula è una “fabbrica chimico-biologica”. Verranno utilizzati esempi vicini alle Tecnologie e Biotecnologie Biomedicali e Farmaceutiche e forniti gli strumenti per comprendere la letteratura del settore.

Il corso è organizzato in lezioni frontali. Verranno utilizzati approcci di "Flipped classroom" attraverso discussione di casi dalla letteratura basata su articoli originali o monografie.

Approfondimenti su argomenti specifici sono presentati come partecipazione a seminari & webinar, con la guida del docente.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Sono necessarie conoscenze di base di matematica, biologia generale, biologia cellulare, biologia molecolare, ed elementi di genetica ed una buona conoscenza della lingua inglese per consultare testi ed articoli scientifici, e per la fruizione di webinar in lingua. Per coloro che non avessero le conoscenze adeguate saranno indicati testi o dispense utili per acquisirle

"Frequenza obbligatoria secondo le norme del regolamento didattico del CdS in CTF come riportato nel http://www.dsf.unict.it/sites/default/files/files/Regolamento%20Didattico%20CTF%202018-20 l 9%20R.pdf"

Introduzione alla Biologia di sintesi e dei sistemi. Definizione, origine e natura della complessità in biologia.

Circuiti cellulari, molecolari e genetici; oscillatori genetici sintetici, e interruttori genetici; elementi di logica genetica

Computazioni molecolari in vitro ed in cellule: DNA computers
 e biocomputing
Sintesi di circuiti regolatori di espressione genica.
 Sintesi di moduli cellulari ortogonali (trascrizione, traduzione, signalling, vie metaboliche).
Evoluzione molecolare in vitro e repertori molecolari. Interferenze molecolari e proteiche: es. siRNA e anticorpi intracellulari

Il codice genetico: fondamenti, origini ed evoluzione. Ingegneria del codice genetico: espandere il codice genetico. Incorporazione in vivo di nucleotidi non naturali negli acidi nucleici. Incorporazione in vivo di aminoacidi non naturali nelle proteine.
Biologia sintetica degli acidi nucleici e della loro replicazione. XNA, acidi nucleici sintetici
genomi minimi e la “cellula minima”.
Verso la cellula artificiale?


Ingegneria metabolica. Modelli e metodi di modellistica in biologia. Gli organismi modello. Mammalian Cell Classifiers. Biologia sintetica nella diagnostica e terapia innovative.

Metodi e metodologie in Biologia di Sintesi e dei Sistemi: le tecnologie ad alto rendimento (high throughput); la bioinformatica, i data base e i software specifici

Optogenetica: la luce come segnale ortogonale. Controllo optogenetico della trascrizione. Controllo optogenetico dell'attivita' funzionali: esempi.

Aspetti etici

Non sono disponibili testi unitari di riferimento in lingua italiana. Il materiale per lo studio viene fornito dal docente.

E' utile però consultare i seguenti testi (utilizzare l'ultima edizione disponibile):

Alberts et al., Biologia molecolare della Cellula, Zanichelli editore

Milo & Phillips, I numeri della biologia, Zanichelli editore

Biologia Sintetica, a cura di Silvio Cavalcanti, Patron editore

Alon, An Introduction to System Biology, Chapman & Hall/CRC

Baldwin et al, Synthetic Biology. A Primer, Revised Edition, Imperial College Press

Blossey, Computational Biology . Chapman & Hall/CRC

Klipp et al, SystemsBiology 2nd Ed, Wiley-VCH

Kuldell et al, BioBuilder. Synthetic Biology in the lab, O'Reilly

Lipp et al, Systems Biology in Practice, Wiley-VCH

Nesbeth, Synthetic Biology, CRC Press

Pevsner, Bioinformatics and Functional genomics 2nd ed., Wiley-Blackwell

La verifica dell'apprendimento avverrà sia con eventuali attraverso una valutazione alla fine del corso. Tale valutazione finale sarà fatta con un esame orale basato su un approfondimento preparato dallo studente su argomento concordato con il docente.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

E’ richiesta la prenotazione elettronica per poter sostenere gli esami mediante il portale di ateneo

Date e luoghi dell’esame potranno essere modificati anche con breve anticipo per improvvisi e improrogabili impegni del docente o degli altri componenti la commissione di esame, o indisponibilità delle aule. Gli studenti verranno avvertiti mediante avviso sul portale Studium al quale dovranno iscriversi all'inizio del corso

Un sistema di controllo in procarioti che permetta di regolare la morte cellulare del procariota per lisi cellulare per il rilascio di una proteina ricombinante prodotta dallo stesso (https://doi.org/10.1186/1754-1611-5-8)

Disegnare una rete di oscillator gestita da attivatori della trascrizione (https://doi.org/10.1038/35002125)

Disegnare un oscillator con due molecole di controllo una proteica e una non proteica

Disegnare un circuito con due interruttori di cui uno che si accenda o si spenga in funzione della presenza di una quantità ( definendone una quantità soglia per l’accenzione) di “prodotto” sintetizzato dal circuito collegato al primo interruttore (che invece viene attivato dalla luce)

Disegnare un sistema biosensore che permetta di individuare la presenza di una molecola specifica

Disegnare un sistema (System thinking) di una cellula procariotica

Disegnare un sistema (System thinking) di una cellula eucariotica

Uso di un attivatore fotosensibile (tipo LOV) per attivare la sintesi di una proteina

Uso di un approccio mediato da Intrabodies per inattivare o attivare un processo biologico intracellulare

uso di circuiti logici basati sulla presenza di molecole non coding (es. miRNA) per l’identificazione di tipologie cellulari (cellule tumorali, etc…) (DOI: 10.1126/science.1205527)

Proporre una piattaforma di biologia sintetica per identificare ed integrare Imput trascrizione endogeni in cellule eucariotiche (http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2016.07.061)

L’artemisina: Acido artemisinico. Analisi del sistema di costruzione del circuito di produzione nel lievito (DOI: 10.1038/nature04640)