Obiettivi formativi
Conoscenze:
Il corso ha lo scopo di fornire i concetti di base della Chimica Organica che si applicano alla comprensione molecolare dei fenomeni biologici e alla modificazione degli stessi per ottenere applicazioni biotecnologiche. In particolare il corso fornirà elementi per comprendere la chimica delle macromolecole biologiche principali (peptidi, oligonucleotidi, oligo- e polisaccaridi) e delle loro trasformazioni, e delle proprietà e dell'origine biologica dei metaboliti secondari. Verranno inoltre illustrati studi di casi in cui l’applicazione di tali conoscenze ha portato ad importanti applicazioni industriali, con particolare attenzione alle moderne nanotecnologie legate alle scienze della vita.
Capacità di comprensione:
viene curata l'acquisizione di un linguaggio formalmente corretto, viene stimolata la capacità di esprimere i contenuti in modo chiaro e lineare, vengono sottolineati i collegamenti tra le diverse parti del corso e come queste contribuiscano alla comprensione globale del sistema.
Applicazione delle conoscenze:
il corso fornisce gli strumenti per interpretare in modo razionale e a livello molecolare le principali proprietà delle macromolecole biologiche e delle vie biologiche che portano alla produzione di metaboliti secondari. Tali composti si trovano solo in specifici organismi o gruppi di organismi e sono espressione della individualità della specie. Stimola, inoltre, nello studente la comprensione di eventi che precedentemente erano stati affrontati solo in maniera fenomenologica.
Il corso si pone anche l'obiettivo di fornire agli studenti gli strumenti per lavorare e fare ricerca in modo interdisciplinare tra le biotecnologie e la chimica applicata in questo settore e dialogare/comunicare proficuamente con colleghi chimici
Prerequisiti
Conoscenze di Chimica Organica e Biochimica. Tecniche analitiche di base.
Contenuti dell'insegnamento
Proprietà strutturali e di reattività di carboidrati, peptidi, acidi nucleici e loro analoghi, e loro modifiche a scopi biotecnologici. Sistemi di veicolazione di farmaci. Metabolismo secondario. Casi di sviluppo di processi industriali attraverso l'applicazione delle biotecnologie nella modifiche delle classi di molecole illustrate
Programma esteso
Modulo 1 (Sansone)- Chimica delle bio-macromolecole. Carboidrati: reattività, biosintesi e sintesi per via chimica ed enzimatica del legame glicosidico. Effetto di multivalenza. Glicoconiugati. Carboidrati complessi come prodotti farmaceutici. Peptidi e sintesi peptidica. Sintesi combinatoriale. Acidi nucleici e loro reattività. Sintesi di oligonucleotidi (DNA e RNA) e descrizione degli analoghi di nucleotidi più utilizzati per applicazioni biologiche. Agenti trasfettanti artificiali. Sistemi di veicolazione di farmaci e biomolecole. Metodi di caratterizzazione e purificazione di biopolimeri di sintesi.
Biotecnologie e Nanotecnologie basate su peptidi, acidi nucleici e analoghi (Corradini).
Modulo 2 (Corradini)- Metabolismo secondario. Definizione di metabolismo secondario. Semplicità e complessità dei metaboliti secondari: i building block, gli enzimi e le reazioni caratteristiche. Metodi per l’isolamento e la caratterizzazione dei metaboliti. Quadro generale delle vie biosintetiche e dei principali intermedi chiave: la via dell’acetato (acidi grassi e polichetidi), dello shikimato (composti aromatici) , del mevalonato (terpeni e steroidi). La chimica organica collegata a queste vie biosintetiche verrà illustrata seguendo la biosintesi di alcune sostanze di interesse biotecnologico (almeno due per ogni via biosintetica) nelle quali verrà illustrato un metodo di lavoro adatto a ricollegare le trasformazioni che avvengono ai concetti sviluppati nella Chimica Organica individuando gli enzimi corrispondenti. Le esercitazioni saranno incentrate a fare acquisire agli studenti il metodo di lavoro mediante studio autonomo di casi collegati alle Biotecnologie.
L'uso di biotecnologie per la trasformazione di sostanze organiche a scopo industriale. Bioraffinerie (seminari a cura del Prof. Maggi).
Bibliografia
Bruice Chimica Organica 2-Edizione. Edises, 2011. Capitoli 19, 21, 22, 23, 28.
W.H. Brown, C.S.Foote, B.L.Iverson E.V. Anslyn. Chimica Organica. IV Edizione EdiSES (2009). 3,14, 17, 18, 23, 25, 26, 27, 28.
J. McMurry :Chimica Organica. 7 Edizione. Piccin 2008. Capitoli 12, 13, 20, 21, 24, 25, 26, 27, 28. –
P. Mac Dewik Chimica, biosintesi e bioattività delle sostanze naturali Piccin 2012.
- Dispense del corso fornite dal docente
Testi di Approfondimento:
Per la parte relativa ai peptidi: Peptidi e Peptidomimetici, V. Santagada, G. Caliendo, Piccin Nuova Libraria, 2003 – S. M: Hecht. Bioorganic Chemistry: Peptides and Proteins. Oxford University Press – T
Per la parte relativa ai carboidrati: The Sugar Code. Fundamentals of Glycosciences, Hans-Joachim Gabius Ed., 2009 Wiley -VCH Verlag, Weinheim –
- Introduction to Glycobiology, M. E. Taylor, K. Drickamer Eds., 2006 Oxford University Press
- Carbohydrate Chemistry: State of the Art and Challenges for Drug Development. An Overview on Structure, Biological Roles, Synthetic Methods and Application as Therapeutics, Ed. Laura Cipolla, Imperial College Press, 2015
Per la parte relativa agli oligonucleotidi: Bioorganic Chemistry - Nucleic Acids, Sidney M. Hecht, Ed., 1996 Oxford University Press –Gli Oligonucleotidi Sintetici - Principi e applicazioni, CNR - Progetto Strategico Nucleotidi Antisenso, UTET Periodici
Per la parte di agenti trasfettanti - DNA Interactions with Polymers and Surfactants, R. S. Dias and B. Lindman Eds, Wiley Interscience, 2008 - DNA and RNA Binders - From small molecules to drugs, M. Demeunynck, C. Bailly and W. D. Wilson Eds., Wiley-VCH, 2003 - Articoli di rassegna
Per la parte relativa al metabolismo secondario: C.T Walsh, Y. Tang Natural product Biosynthesis, Royal Society of Chemistry, 2017
- Articoli di rassegna tratti dalla letteratura sui singoli argomenti
Dispense e articoli di rassegna sono a disposizione sulla piattaforma Elly a partire dall'inizio del corso
Metodi didattici
Lezioni frontali di teoria, esercizi sulla risoluzione di problemi specifici, seminari.
All'inizio di ogni sezione del corso si analizzano le proprietà chimiche di base della specifica classe di composti con il contributo diretto degli studenti facendo ricorso alle loro pregresse conoscenze di chimica organica. Questa procedura è utile per far emergere le conoscenze di chimica organica che gli studenti hanno all'inizio del corso e permettere al docente di colmare eventuali lacune
Modalità verifica apprendimento
Le conoscenze richieste per il superamento dell'esame sono:
Capacità di affrontare criticamente lo studio di letteratura scientifica anche in ambito di ricerca. Capacità di applicare le conoscenze della Chimica Organica di base e delle tecniche strumentali per risolvere problemi a tematiche di interesse biotecnologico in contesti interdisciplinari legati alle Biotecnologie
Capacità di comunicare in modo chiaro e privo di ambiguità le conoscenze acquisite; dimostrazione di aver acquisito le capacità che consentano di continuare a studiare l'ambito molecolare e gli aspetti molecolari delle biotecnologie anche autonomamente.
Conoscenza dettagliata delle proprietà delle principali classi di biomolecole, del loro comportamento chimico, dei metodi di determinazione della struttura, della purificazione e possibili modifiche di tipo sintetico. Capacità di comprendere i principi teorici e i dettagli sperimentali di studi scientifici su carboidrati, oligo- e polipeptidi , acidi nucleici e loro analoghi.
La prova scritta consiste in 10 domande a risposta aperta e ha una durata massima di 3 ore. Ogni domanda ha un valore di 3 punti per un punteggio complessivo massimo della prova di 30/30. La prova si intende superata se la somma dei punteggi ottenuti per ciascuna domanda raggiunge i 18/30.
Per ogni domanda si raggiunge la sufficienza (1,8/3) se si dimostrano le conoscenze di base dell'argomento, si raggiunge il massimo (3/3) se si dimostra una conoscenza approfondita dell'argomento anche dal punto di vista della struttura e della reattività molecolare e dell'appropriata rappresentazione molecolare delle specie in discussione. Il raggiungimento del massimo punteggio in ogni domanda con risposte del tutto esaurienti e approfondite avendo fatto uso del linguaggio del tutto appropriato, determina la valutazione con lode.
Segue una parte orale per approfondire da parte del docente la valutazione di quanto espresso nello scritto.
