Il corso si propone di introdurre gli studenti ai concetti fondamentali e agli strumenti computazionali utilizzati nello studio della struttura tridimensionale delle macromolecole biologiche (proteine, acidi nucleici e loro complessi). Attraverso lezioni teoriche e attività pratiche, il corso fornisce una panoramica delle principali tecniche computazionali ed esperimentali per la determinazione, visualizzazione, analisi e previsione delle strutture molecolari e delle loro interazioni

Al termine del corso, lo studente sarà in grado di:

• Comprendere l’organizzazione strutturale delle macromolecole biologiche e la relazione tra struttura e funzione;

• Utilizzare database e software per l’analisi, la visualizzazione e la modellazione di strutture tridimensionali;

• Applicare metodologie di modellazione per omologia, predizione strutturale e docking molecolare;

• Valutare la qualità dei modelli e discutere criticamente i risultati ottenuti;

• Sviluppare semplici progetti computazionali in ambito biotecnologico.

1. Fondamenti di biologia strutturale

• Macromolecole biologiche: proteine, DNA e RNA

• Livelli strutturali: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria

• Relazione tra struttura e funzione

• Panoramica delle principali tecniche sperimentali: cristallografia a raggi X, spettroscopia NMR, crio-microscopia elettronica

2. Banche dati strutturali

• Protein Data Bank (PDB) e portali associati (RCSB)

• Formati di file strutturali (PDB)

• Navigazione, estrazione e interpretazione di dati strutturali

• Validazione e qualità delle strutture sperimentali

3. Visualizzazione molecolare

• Strumenti (VMD, Maestro) 

• Operazioni base: caricamento, selezione, rappresentazioni, colorazione, misurazioni

• Identificazione di elementi strutturali (eliche, foglietti, loop, domini)

4. Interazioni molecolari

• Legami idrogeno, interazioni idrofobiche, ponti salini, forze di van der Waals

• Siti attivi, tasche funzionali e interazioni molecolari intra- e inter-catena

• Esempi di interazioni proteina-ligando e proteina-acido nucleico

5. Modellazione per omologia 

• Allineamento di sequenze e selezione del template

• Principi di modellazione basata su struttura nota

• Strumenti: SWISS-MODEL, MODELLER

• Valutazione della qualità del modello (Ramachandran plot)

6. Predizione strutturale basata su intelligenza artificiale

• Deep learning nella predizione strutturale (AlphaFold)

• Interpretazione dei risultati (confidence score, pLDDT, PAE)

• Applicazioni e limiti dei modelli predetti

7. Elementi di termodinamica statistica e dinamica molecolare

• Concetti base di simulazione: spazio conformazionale, minimizzazione, equilibrio

• Forze e parametri: campi di forza (force fields), solvente esplicito vs implicito

• Breve introduzione agli strumenti: GROMACS, NAMD (solo panoramica concettuale)

• Analisi qualitativa di traiettorie: RMSD, flessibilità locale (RMSF), interazioni conservate

Conoscenza e capacità di comprensione: 

• Lo studente acquisirà conoscenze di base sui principi strutturali delle macromolecole biologiche e sulle tecniche computazionali utilizzate per analizzarle.

• Comprenderà il funzionamento dei principali strumenti software per la visualizzazione, la modellazione e l'analisi di strutture tridimensionali.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate:

• Lo studente sarà in grado di applicare concetti teorici alla risoluzione di semplici problemi strutturali, come la modellazione per omologia, la predizione strutturale e lo studio della dinamica molecolare.

• Saprà utilizzare strumenti computazionali open-source per svolgere semplici attività pratiche in ambito biotecnologico.

Autonomia di giudizio:

• Lo studente svilupperà la capacità di valutare criticamente la qualità dei modelli strutturali e dei risultati ottenuti da simulazioni o predizioni computazionali.

• Sarà in grado di identificare limiti, incertezze e potenzialità delle diverse tecniche impiegate.

Abilità comunicative:

• Lo studente sarà in grado di descrivere in modo chiaro e corretto, sia in forma scritta che orale, i concetti e le metodologie apprese.

• Sarà in grado di presentare i risultati di un progetto computazionale utilizzando un linguaggio tecnico adeguato, supportato da visualizzazioni molecolari.

Capacità di apprendere:

• Lo studente svilupperà competenze che gli permetteranno di affrontare autonomamente l’approfondimento di strumenti e risorse bioinformatiche più avanzate.

• Acquisirà un metodo di lavoro utile per attività future nell’ambito della biologia strutturale computazionale, della bioinformatica o della progettazione molecolare.

Il materiale didattico predisposto dalla/dal docente in aggiunta ai testi consigliati (come ad esempio diapositive, dispense, esercizi, bibliografia) e le comunicazioni della/del docente specifiche per l'insegnamento sono reperibili all'interno della piattaforma Moodle › blended.uniurb.it

Non previste

Modalità didattiche

Lezioni frontali e lezioni in aula informatica

Obblighi

La frequenza è fortemente consigliata ma non è obbligatoria

Testi di studio

Per sostenere l'esame:

• Materiale (slides) fornito e illustrato durante le lezioni

Per consultazione/integrazione:

• Leach, Molecular Modelling: Principles and Applications, Pearson

Modalità di
accertamento

Esame orale con domande aperte sugli argomenti trattati nel programma, con particolare attenzione alla capacità dello studente di spiegare concetti fondamentali della biologia strutturale, descrivere l’utilizzo di strumenti computazionali e interpretare dati strutturali reali o simulati.

Interpretazione del voto

27/30 – 30/30 con lode

Lo studente dimostra una comprensione approfondita della relazione tra struttura tridimensionale e funzione biologica delle macromolecole.
È in grado di analizzare e discutere criticamente dati strutturali ottenuti sperimentalmente o predetti computazionalmente, utilizzando terminologia appropriata.
Conosce e descrive con precisione l’uso di strumenti computazionali per la visualizzazione, la modellazione e la valutazione della qualità delle strutture.
Sa argomentare in modo coerente le implicazioni biologiche di specifiche caratteristiche strutturali (es. tasche, domini, interazioni).
Dimostra autonomia e padronanza nell’integrazione di conoscenze teoriche e pratiche.

24/30 – 26/30

Lo studente dimostra una buona comprensione dei concetti fondamentali della biologia strutturale computazionale e dei principali strumenti di analisi strutturale.
Utilizza correttamente la terminologia tecnica e sa interpretare dati strutturali, pur con qualche incertezza nei dettagli più complessi.
Comprende e sa descrivere le fasi essenziali della modellazione per omologia e dell’uso di modelli predetti da intelligenza artificiale.
È in grado di commentare esempi strutturali visti a lezione e di collegare le proprietà strutturali alla funzione biologica.

21/30 – 23/30

Lo studente ha una conoscenza di base dei principali concetti trattati nel corso, anche se emergono lacune nella precisione terminologica o metodologica.
Sa descrivere i livelli strutturali delle macromolecole e ha una comprensione generale del ruolo della struttura nella funzione biologica.
Riesce a utilizzare o descrivere strumenti computazionali semplici, ma con autonomia limitata o parziale.
Dimostra di riconoscere e commentare strutture e funzioni discusse durante le lezioni, ma in modo non sempre coerente o completo.

18/30 – 20/30

Lo studente mostra una comprensione parziale o superficiale dei temi affrontati nel corso.
Le nozioni fondamentali sulla struttura delle macromolecole e sugli strumenti computazionali sono presenti, ma frammentarie o confuse.
La capacità di analisi strutturale è molto limitata e le descrizioni sono generiche o imprecise.
Emergono difficoltà nell’uso della terminologia tecnica e nel collegare la struttura alla funzione biologica.
L’interpretazione di dati o visualizzazioni molecolari risulta meccanica o poco consapevole.

Disabilità e DSA

Le studentesse e gli studenti che hanno registrato la certificazione di disabilità o la certificazione di DSA presso l'Ufficio Inclusione e diritto allo studio, possono chiedere di utilizzare le mappe concettuali (per parole chiave) durante la prova di esame.

A tal fine, è necessario inviare le mappe, due settimane prima dell’appello di esame, alla o al docente del corso, che ne verificherà la coerenza con le indicazioni delle linee guida di ateneo e potrà chiederne la modifica.

Modalità didattiche

Nessuna differenza rispetto agli studenti frequentanti.

Obblighi

Nessuna differenza rispetto agli studenti frequentanti.

Testi di studio

Nessuna differenza rispetto agli studenti frequentanti.

Modalità di
accertamento

Nessuna differenza rispetto agli studenti frequentanti.

Disabilità e DSA

Le studentesse e gli studenti che hanno registrato la certificazione di disabilità o la certificazione di DSA presso l'Ufficio Inclusione e diritto allo studio, possono chiedere di utilizzare le mappe concettuali (per parole chiave) durante la prova di esame.

A tal fine, è necessario inviare le mappe, due settimane prima dell’appello di esame, alla o al docente del corso, che ne verificherà la coerenza con le indicazioni delle linee guida di ateneo e potrà chiederne la modifica.