Scuola di Farmacia e Nutraceutica

Università Magna Graecia di Catanzaro

C.I. DI GENOMICA, PROTEOMICA E METABOLOMICA

CdLM Biotecnologie Mediche, Veterinarie e Farmaceutiche

Il corso tratterà, nei tre moduli da 2 CFU, delle principali scienze “omiche”, cioè quelle discipline che forniscono informazioni utili alla descrizione di sistemi biologici grazie alla generazione di un numero elevato di dati sulle biomolecole presenti nel sistema stesso. In particolare, il modulo di Genomica tratterà delle tecniche di sequenziamento degli acidi nucleici da Sanger ai giorni nostri, ed illustrerà i meccanismi della variabilità genetica alla base delle patologie umane, il modulo di Proteomica tratterà delle tecniche basate su spettrometria di massa per il dosaggio di miscele complesse di proteine, ed infine il modulo di Metabolomica tratterà del dosaggio di metaboliti, sostanze che vengono ottenute da reazioni biochimiche e che sono presenti anche nei fluidi biologici, al fine del loro utilizzo come indicatori di specifici processi cellulari.

Poiché le scienze omiche, prevedono, per definizione, la generazione di una notevole quantità di dati, ai tre suddetti moduli sono associati due insegnamenti che riguardano l’analisi informatica dei dati omici. Nel modulo di Sistemi di Elaborazione delle Informazioni verranno presentate le principali problematiche, metodologie ed i principali strumenti software per la rappresentazione ed analisi bioinformatica dei principali dati biologici (es. dati genomici, proteomici, interattomici). Nel modulo di Bioingegneria, infine, verranno illustrati i concetti basilari dell’ingegneria biomedica e come analizzare e trattare i segnali biologici.

 

Modulo e/o Codocenza Docente CFU
SISTEMI DI ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI Mario Cannataro 1
PATOLOGIA GENERALE Carmela De Marco 2
BIOCHIMICA Emanuela Chiarella 2
PROTEOMICA E SPETTROMETRIA DI MASSA Marco Gaspari 2
BIOINGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA Paolo Zaffino 1
Docente:
Marco Gaspari
gaspari@unicz.it
09613694337
Edificio Corpo G Stanza: Stanza n 3, Livello 3
Ogni giovedì dalle 11 alle 13, previo appuntamento.

SSD:
ING-INF/05 - MED/04 - BIO/10 - CHIM/01 - ING-INF/05

CFU:
8

Scuola di Farmacia e Nutraceutica - Data stampa: 02/10/2022

Obiettivi del Corso e Risultati di apprendimento attesi

Lo studente conoscerà come vengono prodotti, e successivamente analizzati per via informatica, i principali dati omici. In particolare, conoscerà:

  • I principi di funzionamento degli spettrometri di massa.
  • I principali workflow (gel elettroforesi, analisi shotgun, etc) utilizzati in analisi proteomica.
  • Le tecnologie usate per l’analisi del genoma.
  • I meccanismi responsabili della variabilità genetica.
  • Come lo studio del genoma abbia sensibilmente modificato l'approccio terapeutico alla maggior parte delle malattie umane.
  • Le alterazioni dei processi metabolici che coinvolgono lipidi e glucidi, spesso correlati a diverse patologie ed anche al cancro.
  • La basi della citofluorimetria e relative applicazioni.
  • Come è possibile produrre anticorpi monoclonali e quali sono i meccanismi attraverso i quali inducono effetti antitumorali.
  • Le metodologie di preprocessamento, gestione ed analisi di tali dati omici.
  • I principali segnali biomedici.
  • Quali sono le problematiche relative alla misura di grandezze di origine biologica e le principali soluzioni ad esse.
  • Le tecniche basilari di analisi ed elaborazione dei biosegnali.

Lo studente sarà inoltre in grado di:

  • Analizzare un elettreferogramma ed identificare una variante genetica in omozigosi o eterozigosi;
  • Interpretare ed analizzare dati ottenuti mediante NGS
  • Identificare una proteina da un dato spettrometrico (PFM, MS/MS).
  • Utilizzare i principali software per la bioinformatica.
  • Impostare un esperimento di analisi di dati omici (esperimento in silico), individuando le fasi di preprocessing, analisi statistica/data mining dei dati, interpretazione dei risultati.
  • Comprendere le principali tecniche di elaborazione ed analisi dei biosegnali.

Programma

Modulo di Proteomica  (2 CFU)

 

Metodi di ionizzazione: impatto elettronico (EI), ionizzazione chimica a pressione atmosferica (APCI), elettrospray (ESI), MALDI, nESI. Analizzatori: tempo di volo (TOF), quadrupolo (Q), trappola ionica (IT), orbitrap. Frammentazione delle molecole in EI (cenni). Spettrometria di massa di peptidi e proteine mediante ionizzazione soft (MALDI, ESI). Identificazione di proteine mediante spettrometria di massa. Spettrometria di massa in tandem (MS/MS) e sequenziamento di peptidi. Bioanalisi mediante cromatografia liquida e spettrometria di massa. Analisi proteomica mediante spettrometria di massa: analisi qualitativa e quantitativa (ICAT, SILAC, iTRAQ). Applicazioni della spettrometria di massa biologica: epitope mapping, fosfoproteomica, interazioni proteina-proteina.

 

Modulo di Genomica  (2 CFU)

 

  1. Genomica e post Genomica
  • Progetto Genoma
  • Sequenziamento tradizionale di Sanger
  • La PCR: metodo e punti chiave per la sua ottimizzazione (Temperatura, primers, Concentrazione Mg2+, etc)
  • La PCR nella diagnostica molecolare: analisi delle mutazioni di EGFR
  • Sequenziamento di nuova generazione (NGS): dalla prima alla quarta generazione (procedure sperimentali, applicazioni, vantaggi e svantaggi).

 

  1. Trascrittomica ed analisi dei dati di NGS
  • MicroArray vs RNA-Seq
  • Flusso bionformatico per l’annotazione dei dati NGS
  1. Evoluzione ed applicazioni dell’ NGS
  • Applicazioni nelle malattie neurodegenerative
  • Metagenomica
  • Immunoterapia, TMB ed instabilità dei microsatelliti
  • Dalla ricerca alla Terapia: il sistema OncoKB
  1. Fondamenti di Bioinformatica
  • La variabilità genetica e l'evoluzione biologica
  • Allineamento di sequenze
  • Le banche dati biologiche
  • Esempi di applicazione alla ricerca: TCGA, progetto 1000 genomi, GTEx, progetto microbioma
  1. Il DNA circolante
  • Caratteristiche chimico-biologiche 
  • Metodi di isolamento e caratterizzazione (BEAMing and Safe-Seq)
  1. Epigenetica:
  • modifiche epigenetiche e la loro applicazione biomedica
  • RNA non codificanti: microRNA e lncRNA
  • Imprinting genomico
  1. Utilizzo di tool bioinformatici per l’annotazione e la caratterizzazione di dati NGS ( cBio portal)

 

Modulo di Metabolomica (2 CFU)

 

  1. Introduzione alle scienze -omiche. Descrizione di genomica, trascrittomica, proteomica e metabolomica. Relazione esistente tra le diverse -omiche. Metabolomica e Metabonomica. Lipidomica e glicomica: metodi di studio e implicazioni tumorali.
  2. Il cancro come malattia metabolica. Neoplasie e metabolismo glicolitico. Effetto Pasteur vs effetto Warburg. Saggi Bioluminescenti per la detection di metaboliti tumorali in vitro.
  3. La citofluorimetria: principio di funzionamento e compensazione. Utilizzo del citofluorimetro per lo studio della proliferazione cellulare, dell’apoptosi e del ciclo cellulare.
  4. Anticorpi monoclonali: produzione e alcuni esempi di applicazione terapeutica.
  5. RT-PCR: il metodo, le sonde fluorescenti, l’analisi.
  6. Manipolazione genica e metodi di trasferimento genico.

 

 

Modulo di Sistemi di Elaborazione delle Informazioni  (1 CFU)

 

PARTE I

  • Introduzione alla Bioinformatica. Rappresentazione informatica delle principali entità biologiche (DNA, proteine, ecc). Rappresentazione primaria, secondaria e terziaria delle proteine. Cenni alle Banche dati biologiche (UniProt, PDB)
  • Allineamento e similarità di sequenze. Algoritmi per l’allineamento tra sequenze (Allineamento locale, globale, multiplo).
  • Predizione della struttura secondaria e terziaria delle proteine.

 

PARTE II

  • Tecniche di analisi data mining (Classificazione, Clustering, Regole Associative)
  • Piattaforme per la produzione di dati omici (microarray, mass spectrometry)
  • Preprocessing ed analisi di dati genomici (dati gene expression e genotyping)
  • Preprocessing ed analisi di dati proteomici (dati MS e MS/MS)
  • Preprocessing ed analisi di dati interattomici (Reti di Interazione Proteica)
  • Functional Enrichment Analysis (Gene Ontology, Annotazioni, Misure di similarità semantica)

 

 

Modulo di Bioingegneria Elettronica e Informatica (1 CFU)

 

  • Parte generale
    • Definizione di Bioingegneria, campi applicativi.
    • Origine e classificazione dei segnali biomedici.
    •  
  • Misura di segnali biomedici
    • Schema concettuale di un sistema di acquisizione per misure biomediche
    • Problematiche nelle misure biomediche e loro risoluzione
  • Principali caratteristiche dei sensori e degli elettrodi
  • Tecniche di elaborazione dei segnali
    • Dominio del tempo
    • Dominio della frequenza
    • Dominio tempo-frequenza
  • Filtri e amplificatori per biosegnali

Impegno orario complessivamente richiesto allo studente

Le ore stimate sono 200, di cui 64 ore di didattica frontale e 136 ore di studio individuale.

Metodi insegnamento

Lezioni frontali.

Risorse per l'apprendimento

Libri di testo

  • Metodologie Biochimiche e Biomolecolari (M. Maccarrone, Edizione Zanichelli)
  • Biotecnologie molecolari (T.A. Brown, Edizioni Zanichelli)
  • Manuela Helmer Citterich, Fabrizio Ferrè, Giulio Pavesi, Graziano Pesole, Chiara Romualdi. FONDAMENTI DI BIOINFORMATICA. Zanichelli (https://www.zanichelli.it/ricerca/prodotti/fondamenti-di-bioinformatica).
  • John G. Webster. Medical Instrumentation – Application and Design. John Wiley& Sons Inc. (Modulo di Bioingegneria).

Ulteriori letture consigliate per approfondimento

  • Articoli e review forniti a lezione (moduli di genomica, proteomica e metabolomica).
  • Stefano Pascarella, Alessandro Paiardini, BIOINFORMATICA, ZANICHELLI (modulo di Sistemi).
  • Elderle, S. Blanchard, J. Bronzino. Introduction to Biomedical Engineering. Academic Press

Altro materiale didattico

  • Diapositive fornite dai docenti.

Attività di supporto

Non prevista

Modalità di frequenza

Le modalità sono indicate dall’art. 8 del Regolamento didattico d’Ateneo.

Modalità di accertamento

Le modalità generali sono indicate nel regolamento didattico di Ateneo all’art.22 consultabile al link http://www.unicz.it/pdf/regolamento_didattico_ateneo_dr681.pdf

L’esame finale sarà svolto in forma orale.

I criteri sulla base dei quali sarà giudicato lo studente sono:

 

Conoscenza e comprensione argomento

Capacità di analisi e sintesi

Utilizzo di referenze

Non idoneo

Importanti carenze.

Significative inaccuratezze

Irrilevanti. Frequenti generalizzazioni. Incapacità di sintesi

Completamente inappropriato

18-20

A livello soglia. Imperfezioni evidenti

Capacità appena sufficienti

Appena appropriato

21-23

Conoscenza routinaria

E’ in grado di analisi e sintesi corrette. Argomenta in modo logico e coerente

Utilizza le referenze standard

24-26

Conoscenza buona

Ha capacità di a. e s. buone; gli argomenti sono espressi coerentemente

Utilizza le referenze standard

27-29

Conoscenza più che buona

Ha notevoli capacità di a. e s.

Ha approfondito gli argomenti

30-30L

Conoscenza ottima

Ha notevoli capacità di a. e s.

Importanti approfondimenti