Obiettivi formativi
Durante il corso gli studenti conseguiranno concetti fondamentali riguardo l'interazione luce-materia vivente e degli argomenti specifici trattati nel programma. In particolare le nuove tecnologie in campo biofisico, biomedico e tecnologico che utilizzino fotorecettori.
Gli studenti impareranno a identificare, all’interno delle metodologie trattare nel corso, quali siano quelle che possono tornare utili per la comprensione della struttura e funzione dei fotorecettori. Gli studenti impareranno a comprendere il significato di risultati sperimentali, ottenuti con tecniche analizzate nel corso e durante le esercitazioni di laboratorio.
Impareranno a condurre esperimenti con una certa autonomia utilizzando le tecniche di indagine viste nel corso delle esercitazioni. Durante il corso ci si prefigge di fare acquisire agli studenti:
a. capacità critiche e di formulazione di giudizio riguardo alla scelta delle metodologie più adatte all'analisi di un fenomeno fotobiofisico e fotobiologico e sul loro utilizzo;
b. capacità di trarre conclusioni in autonomia sui fenomeni studiati, a partire dall’analisi degli argomenti trattati a lezione e dei risultati sperimentali ottenuti in laboratorio.
c. capacità di identificare aspetti non chiari per programmare successivi esperimenti volti ad integrare le informazioni ottenute.
Prerequisiti
Chimica e biochimica di base. Elementi di Biofisica.
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.
Bibliografia
Articoli distribuiti durante il corso (in inglese). Slides del docente.
Photobiology : The Science of Light and Life (Third Edition) : Springer (e-book, presso il docente)
Metodi didattici
Il corso sarà suddiviso in lezioni frontali (4CFU = 28h) + Esercitazioni di Laboratorio e seminari su argomenti selezionati (24 h).
Modalità verifica apprendimento
L'esame è composto da uno scritto (domande e relazioni di laboratorio)+ un seminario orale su argomento a scelta. Il peso relativo per scritto e orale sarà del 50% e il voto finale sarà una media delle due prove.
Altre informazioni
Il docente riceve previo appuntamento telefonico (0521-905293) o e-mail: aba.losi@fis.unipr.it
