FOTOBIOFISICA E FOTOBIOLOGIA

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) (FIS/07)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano e Inglese

Obiettivi formativi

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding)
Dopo avere seguito il corso gli studenti devono avere conseguito 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.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding)
Gli studenti dovranno essere in grado di 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 dovranno essere in grado di comprendere il significato di risultati sperimentali, ottenuti con tecniche analizzate nel corso e durante le esercitazioni di laboratorio
Infine, gli studenti dovranno poter condurre esperimenti con una certa autonomia utilizzando le tecniche di indagine viste nel corso delle esercitazioni.

Autonomia di giudizio (making judgements)
Al termine del corso, gli studenti dovranno dimostrare di avere acquisito 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. Gli studenti dovranno inoltre acquisire la 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. Gli studenti dovranno inoltre acquisire la capacità di identificare aspetti non chiari per programmare successivi esperimenti volti ad integrare le informazioni ottenute.

Capacità di apprendere (learning skills)
Gli studenti dovranno mostrare di avere appreso in modo critico e propositivo, le principali metodologie biofisiche applicate alla fotobiologia e le potenzialità applicative dei fotorecettori naturali ed ingegnerizzati.

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, disponibile 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% ed 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