FISICA

LAUREA MAGISTRALE

PHOTOBIOPHYSICS AND PHOTOBIOLOGY

Docenti: 
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) (FIS/07)
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

INGLESE

Obiettivi formativi

D1 - CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
Alla fine del corso gli studenti avranno conseguito concetti fondamentali riguardo l'interazione luce-materia vivente e degli argomenti specifici trattati. In particolare le nuove tecnologie in campo biofisico, biomedico e tecnologico che utilizzino fotorecettori.
D2 - CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Gli studenti saranno in grado di: 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
b. comprendere il significato di risultati sperimentali, ottenuti con tecniche analizzate nel corso e durante le esercitazioni di laboratorio; c. poter condurre esperimenti con una certa autonomia utilizzando le tecniche di indagine viste nel corso delle esercitazioni.
D3 - AUTONOMIA DI GIUDIZIO
Alla fine del corso gli studenti avranno acquisito: 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 e dei risultati sperimentali ottenuti in laboratorio; c. capacità di identificare aspetti non chiari per programmare successivi esperimenti volti ad integrare le informazioni ottenute.
D4 - ABILITÀ COMUNICATIVE
Durante il corso gli studenti svilupperanno un dialogo costruttivo con il docente. La parte scritta dell’esame implica saper rispondere a domande in modo sintetico e rigoroso ed esplicitare con un linguaggio comprensibile concetti e commenti a una domanda a risposta multipla. La parte orale dell’esame consiste in un seminario che implica capacità di sintesi e una chiara esposizione.
D5 - CAPACITA' DI APPRENDERE
Gli studenti apprenderanno in modo critico e propositivo le principali metodologie biofisiche applicate alla fotobiologia e le potenzialità applicative dei fotorecettori naturali ed ingegnerizzati. Il corso si avvale principalmente di articoli scientifici in inglese di rassegna come testi didattici, che gli studenti dimostreranno di comprendere sia come contenuti sia per quanto riguarda l’utilizzo dell’inglese di livello B2 come lingua veicolare.

Prerequisiti

Fortemente raccomandato aver conseguito l'idoneità di livello B2 per la lingua inglese (comprensione di slides, lezioni e testi scritti di ambito scientifico)

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

Lezioni erogate in presenza fruibili anche a distanza in modalità sincrona e/o asincrona. Lezioni supportate da slide proiettate in formato elettronico, alternate a Seminari tematici e Esperienze di laboratorio (ca. 20h) su tematiche trattate a lezione.
Le slide utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate con cadenza settimanale sulla piattaforma Elly.
Per scaricare le slide è necessaria l’iscrizione al corso on line.
Le slide vengono considerate parte integrante del materiale didattico.
Le modalità di erogazione potranno subire variazioni per l'emergenza SARS-CoV-2. Eventuali variazioni verranno comunicate in tempo utile.

Modalità verifica apprendimento

L'esame è composto da uno scritto (domande in inglese)+ un seminario orale su argomento a scelta.
La durata della prova scritta è di 90 minuti;la durata della prova orale è di 40 minuti.
Il peso relativo per scritto e orale sarà del 50% ed il voto finale sarà una media delle due prove. I risultati delle singole prove vengono comunicati agli studenti via e-mail e pubblicati sul portale esse3. Le modalità di verifica potranno subire variazioni per l'emergenza SARS-CoV-2. Eventuali variazioni verranno comunicate in tempo utile.

Altre informazioni

Il docente riceve previo appuntamento telefonico (0521-905293) o e-mail: aba.losi@unipr.it, preferibilmente via piattaforma Teams.