Obiettivi formativi
Acquisizione dei concetti fondamentali riguardo l'interazione luce-materia vivente. Apprendimento delle metodologie biofisiche impiegate nello studio di struttura, funzione e dinamica dei fotorecettori. Conoscenza dei più importanti aspetti applicativi dei fotorecettori di origine biologica.
Prerequisiti
Nessuno
Contenuti dell'insegnamento
Oggetto del corso è lo studio della interazione della luce con la materia vivente mediata da sistemi macromolecolari dedicati (fotorecettori), della fenomenologia associata e delle varie ed innovative applicazioni basate su fotorecettori di nuova generazione. Nei vari organismi la presenza di fotorecettori (sistemi proteici-cromoforici integrati) consente una gamma di fotorisposte che variano dalla conversione dell' energia luminosa in energia chimica, alle risposte sensoriali quali il fotomovimento, i processi visivi e perfino la regolazione dell’ infettività in importanti patogeni batterici. Sistemi fotoattivi artificiali o semi-artificiali sono invece utilizzati in fotomedicina, ad esempio nella terapia fotodinamica del cancro. Negli ultimi anni la scoperta di nuovi fotorecettori, veri e propri photoswitches naturali ed ingegnerizzabili, ha dato il via a nuovi ambiti di ricerca applicativa, quali l’ optogenetica e alcune microscopie ad altissima risoluzione. Questi aspetti verrano illustrati durante il corso, assieme alle tecniche biofisiche utilizzate per elucidare i meccanismi molecolari e fisici responsabili delle fotorisposte, gli aspetti fotochimici, la relazione fra struttura, funzione e dinamica nei fotorecettori.
Programma esteso
1. Aspetti generali ed introduttivi
1a Le leggi della fotofisica e fotochimica; cromofori e stati eccitati
1b. Principali grandezze e unità di misura utilizzate in fotobiologia
1c. I fotorecettori: convertitori di energia e fotorecettori sensoriali
1d. I meccanismi fotofisici e fotochimici primari: trasferimento di energia, trasferimento di carica, fotoisomerizzazione, riarrangiamento di interazioni deboli
2. I meccanismi molecolari della conversione luce-energia metabolica.
2a. Le fotopompe ioniche
2b. Fotosintesi anossigenica e ossigenica
2c. Enzimi per il riparo di danni al DNA (fotoliasi)
2d. Termodinamica della conversione luce-energia metabolica
3. I meccanismi molecolari della fotorecezione sensoriale e della trasduzione del segnale
3a.Le opsine di membrana: processi visivi, canali cationici, fotomovimento
3b.Fotorecettori sensoriali citoplasmatici: fotomovimenti, patterns di crescita, risposte agli stress luminosi, regolazione dei ritmi circadiani.
3c: Il “mondo nuovo” dei fotorecettori solubili nei procarioti:, risposte fotosensoriali, regolazione dell’ infettività mediata dalla luce.
3d. Termodinamica della conversione luce-segnale
4. Approfondimento sui metodi biofisici per lo studio di struttura, funzione e dinamica di fotorecettori biologici e degli intermedi nelle reazioni fotoindotte: spettroscopie e tecniche strutturali
5. La fototerapia e la fotobiologia ambientale.
5a. Meccanismi di fotosensibilizzazione; fototerapie.
5b. Evoluzione di sistemi di ricezione fotosensoriale e fotoriparo dei danni da radiazioni
6. Applicazioni biotechnologiche e biofisiche dei fotorecettori
6a. Il controllo di funzioni cellulari con luce visibile e fotorecettori nativi o ingegnerizzati (optogenetica): i fotorecettori come photoswitch funzionali.
6b. Microscopia di fluorescenza con fotorecettori di nuova generazione
6c. Microscopia di superrisoluzione con fotorecettori fotocromici: fotorecettori come photoswitch ottici.
7. Esercitazioni in laboratorio su alcuni argomenti trattati a lezione
Bibliografia
Articoli distribuiti durante il corso (in inglese). Slides del docente.
Metodi didattici
Lezioni frontali (4CFU) + Esercitazioni di Laboratorio (2)
Modalità verifica apprendimento
L'esame è composto da uno scritto (domande) + un seminario orale su argomento a scelta. Il peso relativo per scritto e orale sarà del 50% ed il voto finale sarà una media delle due prove.
Altre informazioni
Durante il corso si potranno avere lezioni da ospiti esterni su argomenti di punta
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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