SYNTHETIC AND SISTEMS BIOLOGY

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.

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. Il materiale per lo studio viene fornito dal docente.

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

Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Garland

Milo & Phillips, Cell biology by the Numbers, Garland

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

ENGLISH

Students will be assessed by a final assessment at the end of the course. This final evaluation will be an oral exam based on an in-depth study prepared by the student on a topic agreed upon with the teacher.

Electronic registration for the written exam is required through the university web platform

Dates and places of the exam can also be modified shortly in advance for sudden and urgent commitments of the teacher or of the other members of the examination committee, or unavailability of the classrooms. Students will be notified by notice on the Studium web platform to which they will have to register.

ITALIANO

La verifica dell'apprendimento avverrà sia con eventuali prove in itinere che con una valutazione alla fine del corso. Tale valutazione finale sarà fatta con un esame scritto con risposte a scelta multipla e/o a risposta aperta, ed un esame orale basato su un approfondimento preparato dallo studente su argomento concordato con il docente.

E’ richiesta la prenotazione elettronica (chiusura prenotazione all’esame: una settimana prima), 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

A control system in prokaryotes that allows to regulate the cell death of the prokaryote by cell lysis for the release of a recombinant protein produced by the same (https://doi.org/10.1186/1754-1611-5-8)

Design an oscillator network managed by transcription activators (https://doi.org/10.1038/35002125)

Design an oscillator with two control molecules, one protein and one non-protein

Design a circuit with two circuit breakers, one of which turns on or off depending on the presence of a quantity (defining a threshold amount for accents) of "product" synthesized by the circuit connected to the first switch (which is instead activated by the light )

Design a biosensor system that allows to identify the presence of a specific molecule

Design a system (System thinking) of a prokaryotic cell Design a system (System thinking) of a eukaryotic cell Use of a photosensitive activator (type LOV) to activate the synthesis of a protein

Use of an Intrabodies mediated approach to inactivate or activate an intracellular biological process use of logic circuits based on the presence of non-coding molecules (eg miRNA) for the identification of cell types (tumor cells, etc ...) (DOI: 10.1126 / science.1205527)

Propose a synthetic biology platform to identify and integrate endogenous transcription inputs into eukaryotic cells (http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2016.07.061)

Artemisin: Artemisinic acid. Analysis of the construction system of the yeast production circuit (DOI: 10.1038 / nature04640)