Obiettivi formativi
1. KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
- comprendere i fondamenti dell’interazione tra raggi X e materia, con speciale enfasi sulle macromolecole biologiche
- spiegare il significato delle quantità fisiche e i concetti generali connessi con le tecniche sperimentali illustrate
- analizzare i sistemi fisici a cui le metodologie affrontate possono esser applicate
- mettere in relazione le tecniche sperimentali discusse nel corso con le macromolecole biologiche
- comprendere contesto e concetti base della letteratura recente che faccia uso di metodi basati sulla radiazione X per studiare proprietà strutturali di macromolecole
2. APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
- applicare le conoscenze acquisite per affrontare lo studio di proprietà dinamiche e strutturali di un sistema macromolecolare
3. COMMUNICATION SKILLS
- saper comunicare idee-problemi-soluzioni riguardo la struttura molecolare e la dinamica in un modo chiaro, sintetico e efficace
- saper descrivere in modo appropriato le fasi di una misura
- esser in grado di spiegare ai compagni e al docente le varie problematiche sperimentali
4. MAKING JUDGEMENTS
- esser in grado di analizzare da un punto di vista quantitativo eventi rilevanti strutturali e dinamici sia a livello teorico sia sperimentale
- esser in grado di valutare limite e potenzialità delle tecniche descritte durante il corso
- esser in grado di valutare criticamente i limiti di validità dei modelli sviluppati, analogie e differenze tra i sistemi fisici studiati
5. LEARNING SKILLS
- collegare i differenti argomenti discussi nel corso e quelli trattati in altri corsi (per esempio fisica della materia, meccanica quantistica, chimica)
- saper cambiare il proprio schema concettuale o piano di misure sperimentali in risposta a nuovi imput sviluppando soluzioni e metodologie alternative
Prerequisiti
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Contenuti dell'insegnamento
L'italia è un paese membro di tutte le facilities europee di neutroni e raggi X su grande scala, i.e. della facility europea di radiazione di sincrotrone (ESRF) e dell'istituto Laue Langevin (ILL) facility di neutroni di Grenoble, Francia, il laser europeo a elettroni senza raggi X (Euxfel) ad Amburgo, Germania e la sorgente europea di spallazione (ESS) a Lund, Svezia. Queste strutture offrono opportunità uniche per studiare la struttura e la dinamica delle macromolecole biologiche, comprese le proteine e il Dna, tema di ricerca di interesse sia accademico che medico. Il corso intende fornire agli studenti di fisica un corso avanzato per acquisire competenze e conoscenze che li mettano in grado di svolgere una tesi di II livello o un dottorato presso o in collaborazione con strutture europee di raggi X e neutroni per lo studio di macromolecole biologiche. Oltre a essere focalizzato sui metodi a raggi X e neutroni, il corso fornirà un'indagine su metodi biofisici complementari, compresi la microscopia crio-elettronica a singola particella, spettroscopia elettronica e vibrazionale, NMR., AFM, etc. Il corso è destinato ad essere inserito in un programma di scambio tra l'Università di Parma e l'Institut de Biologie Structurale ed i suoi partner di ILL e ESRF al Campus Europeo di Fotoni-Neutroni di Grenoble che il prof. Cristiano Viappiani e dott. Martin Weik intendono iniziare.
Struttura del corso:
parte I (insegnamento – 26 ore)
- introduzione alla struttura e dinamica delle macromolecole biologiche (4 ore)
- interazione raggi X e neutroni con la materia (2 ore)
- strutture radiografiche su grande scala (synchrotron, XFEL) (2 ore)
- impianti di neutroni su larga scala (reattore, sorgente di spallazione) (2 ore)
- cristallografia convenzionale a raggi X (cristallizzazione, raccolta dati, analisi) (4 ore)
- cristallografia seriale a raggi X ai sincrotroni e XFELS (2 ore)
- cristallografia a raggi X risolta nel tempo (2 ore)
- diffusione di neutroni e raggi X a piccolo angolo (2 ore)
- cristallografia, riflettometria e spettroscopia di neutroni (2 ore)
- tecniche biofisiche complementari (4 ore)
parte II (22 ore)
- tour virtuale di una struttura radiazione di sincrotrone/XFEL/neutroni
- raccolta dati cristallografia remota presso ESRF (assumendo che ESRF sia di supporto)
- elaborazione e analisi dei dati cristallografici
- rappresentazione delle strutture proteiche (Pymol)
- presentazione delle pubblicazioni di ricerca attuali da parte degli studenti
- quiz
- presentazione di progetti di ricerca collaborativi (Università di Parma / IBS) in cui gli studenti potrebbero esser coinvolti
Programma esteso
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Bibliografia
Zaccai N., Serdyuk I., Zaccai G. (2017) Methods in Molecular Biophysics: Structure, Dynamics, Function for Biology and Medicine - 2nd Edition. Cambridge University Press.
X-ray Free Electron Lasers: A Revolution in Structural Biology, Boutet S, Fromme P, Hunter MS (eds) pp 331-356. Cham: Springer International Publishing Neutrons & Biology (2020) EPJ Web Conf., 236
Metodi didattici
Il corso consiste in una serie di lezioni che coprono i fondamenti dei metodi basati sulla radiazione X per studiare proprietà strutturali e dinamiche delle macromolecole. Esempi specifici saranno discussi in dettaglio. Sessioni in remoto da Grenoble forniranno una visione diretta delle facilities sperimentali disponibili grazie alla sorgente di sincrotrone. Sarà realizzato anche un esperimento dimostrativo.
Se la situazione pandemica lo permetterà, il corso sarà tenuto tutto in presenza.
Modalità verifica apprendimento
Agli studenti verrà assegnato un argomento tra quelli affrontati in classe. Gli studenti dovranno elaborare una presentazione comunicandola ai compagni e al docente e rispondere alle domande che scaturiranno dalla discussione.
Altre informazioni
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