PROTEIN ENGINEERING AND RECOMBINANT PROTEINS

A.A. di erogazione 2020/2021
Insegnamento obbligatorio

 (A.A. 2019/2020)
L'insegnamento è composto da diversi moduli, consultare il dettaglio nella sezione Moduli.
Anno di corso: 
2
Lingua: 
Inglese
Crediti: 
12
Ciclo: 
Primo Semestre
Ore di attivita' frontale: 
120

Il corso integrato di Protein Engineering and Recombinant Proteins è parte fondamentale della formazione molecolare avanzata del laureato in BMI. L’insegnamento è organizzato in due moduli: Protein Engineering e Laboratory of Recombinant Proteins. Insieme i due moduli hanno l’obiettivo di fornire agli studenti una solida preparazione nella progettazione e produzione di proteine ricombinanti da utilizzare come strumenti biotecnologici in campo biomedico (come agenti terapeutici) e industriale (come componenti di processi produttivi di bioconversione e biocatalisi), in linea con gli obiettivi formativi che si propone il CdS.
In particolare, il modulo Protein Engineering si propone di fornire le conoscenze delle diverse tecniche che vengono utilizzate nell’ingegnerizzazione delle proteine (progettazione ex novo di strutture proteiche, progettazione razionale di nuove funzioni, modelling molecolare e docking, mutagenesi sito-diretta e casuale, ricombinazione genica) e nell’isolamento delle varianti proteiche ottimizzate in una determinata proprietà.
Il modulo Laboratory of Recombinant Proteins è progettato per presentare i principali sistemi di espressione utilizzati nella produzione di proteine ricombinanti e permettere agli studenti di acquisire una conoscenza approfondita dei più recenti metodi per l’ottimizzazione del loro utilizzo: dalla progettazione dei costrutti di espressione, alla regolazione dei livelli di espressione delle proteine di interesse e all’ottimizzazione delle rese di produzione.
Durante l’insegnamento gli studenti saranno stimolati a valutare i vantaggi e i limiti dei vari approcci di modificazione delle proprietà delle proteine e quelli connessi all’utilizzo dei diversi sistemi di espressione eterologa. Verranno discusse le scelte operate nel caso della produzione di diverse proteine portate quali casi di studio. L’insegnamento prevede una serie di esercitazioni di laboratorio che ripercorrono sperimentalmente i contenuti delle lezioni e che permetteranno agli studenti di applicare al-cune delle nozioni teoriche apprese e acquisire esperienze pratiche.

Risultati dell’apprendimento attesi
Al termine dell’insegnamento gli studenti saranno in grado di:
• spiegare gli elementi fondamentali a livello molecolare del rapporto struttura-funzione delle pro-teine;
• applicare criticamente le nozioni acquisite (teoriche e sperimentali) a un processo di ingegnerizzazione della funzionalità e della stabilità di una proteina;
• elaborare strategie per la produzione di proteine ricombinanti in base alle loro proprietà, scegliendo criticamente il sistema di espressione eterologa più opportuno;
• applicare le nozioni teoriche alla risoluzione delle problematiche connesse alla produzione di pro-teine ricombinanti, in modo da massimizzar le rese;
• valutare, estrarre e sintetizzare le informazioni acquisite, quando rilevanti per uno specifico progetto o caso di studio;
• comunicare le nozioni apprese in maniera efficace sia oralmente che in forma scritta utilizzando un linguaggio scientifico appropriato.

In conclusione gli studenti acquisiranno capacità decisionali in un progetto di “protein engineering”, dalla fase di progettazione a quella della produzione delle varianti proteiche ricombinanti, essendo in grado di affrontare e risolvere le diverse problematicità legate al processo.

Allo studente che frequenta questo insegnamento verrà richiesto di applicare le nozioni acquisite in diverse materie di base in ambito biologico: Biochimica generale (in particolare sono necessarie solide conoscenze riguardanti la struttura e proprietà delle proteine); Biologia Molecolare (tecniche di DNA ricombinante - manipolazione, amplificazione, clonaggio - e meccanismi di regolazione dell’espressione genica); Microbiologia (caratteristiche dei microorganismi utilizzati quali ospiti eterologhi per la produzione di proteine ricombinanti e loro mantenimento in coltura).
Affinché lo studente possa svolgere proficuamente le attività sperimentali sono richieste le conoscenze metodologiche e le abilità pratiche acquisite durante l’insegnamento di Metodologie Biochimiche.
Non sono previste propedeuticità.

Il programma è diviso in due parti che trattano i seguenti argomenti:
PROTEIN ENGINEERING
a) Rapporto struttura e funzione nelle proteine
b) Ingegneria Proteica:

LAB RECOMBINANT PROTEINS
- Tecniche di clonaggio e vettori di espressione
- Sistemi “cell free” per l’espressione di proteine
- Espressione in sistemi procariotici, in lievito e in cellule di insetto e di mammifero
Laboratorio:
- Applicazione di una tecnica di directed evolution
- Allestimento di prove di espressione

Il modulo “Protein Engineering” consiste in 48 ore di lezioni frontali. Tutte le attività si svolgeranno in presenza del docente incaricato. Ogni lezione verrà svolta trattando un argomento specifico mediante l’ausilio di presentazioni powerpoint, disponibili in anticipo sulla piattaforma e-learning. Durante le lezioni verranno anche presentati casi di studio pubblicati in riviste scientifiche del campo, che verranno fornite come materiale didattico.

Il modulo "Lab of Recombinant Proteins" consiste in 24 ore di lezioni frontali e 48 ore di laboratorio. Ogni lezione frontale verrà svolta trattando un argomento specifico (dalle tecniche di clonaggio, ai singoli sistemi di espressione eterologa, alle problematiche legate alla produzione di proteine ricombinanti e le strategie per porvi rimedio), mediante l’ausilio di presentazioni powerpoint, disponibili in anticipo sulla piattaforma e-learning. Durante le lezioni verranno presentati casi di studio pubblicati in riviste scientifiche del campo, che verranno fornite come materiale didattico.
Per le attività pratiche (9 esercitazioni da 4 ore ciascuna, raggruppate in due diverse settimane), gli studenti saranno divisi in piccoli gruppi. Dopo un’introduzione generale per illustrare gli obiettivi e le modalità pratiche di esecuzione, gli studenti organizzeranno ed effettueranno le attività sperimentali con la supervisione del docente. La frequenza alle attività pratiche è obbligatoria (almeno il 75% delle attività programmate).

La verifica dell’apprendimento avverrà attraverso una prova scritta volta a valutare il raggiungimento dei risultati di apprendimento e quindi la comprensione delle problematiche trattate a lezione e le conoscenze relative ai moduli “Protein Engineering” e “Laboratory of Recombinant Proteins”. Per ogni modulo allo studente verranno somministrate 4 domande aperte (valutate ciascuna fino a 8 punti).
L’attività svolta in laboratorio sarà valutata attraverso la stesura di una relazione scientifica dettagliata degli esperimenti svolti.
L’esito dell’esame sarà in trentesimi: l’esame si ritiene superato con una votazione di almeno 18/30 in ciascun modulo e nella relazione di laboratorio.
Il voto finale sarà la media aritmetica dell’esito delle tre prove, ciascuna pesata per i relativi CFU.
I criteri secondo i quali verranno valutate le conoscenze e le abilità acquisite sono:
1. il grado di approfondimento dell’argomento oggetto del quesito;
2. la capacità critica di rielaborazione e collegamento delle conoscenze acquisite in merito alle basi teoriche del rapporto struttura-funzione nelle proteine e alle problematiche legate all’espressione delle proteine ricombinanti;
3. la capacità di applicare le conoscenze acquisite per sviluppare un progetto di ingegneria proteica e di progettare, in base alle caratteristiche di una determinata proteina di interesse, una strategia di espressione in uno o più opportuni sistemi eterologhi;
4. la capacità di proporre soluzioni a specifici problemi attraverso l’utilizzo degli strumenti discussi durante l’insegnamento;
5. la chiarezza dei concetti esposti e la proprietà della terminologia utilizzata.

Per il modulo Protein Engineering:
Slides delle lezioni: scaricabili dal sito e-learning
Testi consigliati:
Arnold F. H., Georgiou G. Directed Enzyme Evolution: Screening and Selection Methods (Methods in Molecular Biology) (Humana Press)
Arnold F. H., Georgiou G. Directed Evolution Library Creation: Methods and Protocols (Methods in Molecular Biology) (Humana Press)
Branden C. e Tooze J., Introduction to protein structure (Garland Publ.)
Bross P. e Gregersen N. Protein misfolding and disease, Methods in Molecular Biology, vol. 232 (Humana Press).
Garett-Grisham "Principi di Biochimica" (PICCIN)
Matthews, Van Holde, Ahern, “Biochimica” (Casa Editrice Ambrosiana)
Voet D, Voet JG, Pratt CW "Fondamenti di Biochimica" (Zanichelli)
Dal sito e-learning sarà scaricabile il materiale utilizzabile per completare la preparazione (articoli scien-tifici e review). Materiale aggiuntivo potrà essere richiesto al docente.

Per il modulo Laboratory of Recombinant Proteins non è disponibile un testo unico di riferimento; in aggiunta alle slides delle lezioni dal sito e-learning sarà scaricabile il materiale utilizzabile per completare la preparazione (articoli scientifici e review). Materiale aggiuntivo potrà essere richiesto alla docente. Saranno disponibili sulla piattaforma e-learning anche dispense e protocolli per la parte di esercitazioni pratiche in laboratorio.

Ricevimento preferibilmente su appuntamento (mediante richiesta via e-mail).
I docenti rispondono solo alle e-mail firmate e provenienti dal dominio @uninsubria.it. Non si risponde a richieste di conferma di informazioni già disponibili - ad esempio richiesta della data appello di esame.
I docenti sono disponibile ad incontri di approfondimento o discussione per gruppi di studenti.

Insegnamenti

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A.A. 2020/2021

Anno di corso: 2
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2018/2019

Anno di corso: 2
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2017/2018

Anno di corso: 2
Curriculum: PERCORSO COMUNE