ANALYTICAL TECHNIQUES FOR BIOMOLECULES - MOD.2

L’insegnamento di Analytical Techniques for Biomolecules si inserisce tra le attività formative caratterizzanti dell’indirizzo Biomolecular Chemistry del corso di laurea magistrale in Chimica e Tecnologie Sostenibili. L'insegnamento si articola in due moduli (denominati Modulo 1 e Modulo 2), ciascuno suddiviso in lezioni di teoria (svolte in aula) e lezioni di laboratorio. I due moduli si pongono l’obiettivo comune di costruire conoscenze e competenze ad ampio spettro su principi ed applicazioni delle tecniche avanzate di maggior rilievo in campo bio-analitico, in particolare:
- comprendere i principi alla base delle tecniche bio-analitiche;
- sviluppare la capacità di proporre, impostare e gestire nuovi approcci in campo bio-analitico per risolvere problemi complessi, legati alla determinazione qualitativa e quantitativa di specie chimiche di interesse in matrici reali;
- sviluppare competenze per ricavare e comunicare informazioni analitiche da dati sperimentali con piena consapevolezza delle potenzialità, dei limiti e delle incertezze associate alle tecniche, ai metodi applicativi, agli analiti; alle matrici e alle finalità specifiche;
- sviluppare competenze flessibili ed adattative nell’utilizzo di strumenti software per la gestione di strumentazione avanzata e per il trattamento del dato chimico-analitico con un focus su automazione, big data e interoperabilità.

I risultati attesi sono definiti in funzione dei contenuti specifici dei due moduli in cui si articola il corso di Analytical Techniques for Biomolecules.

Il corso si propone di fornire le basi conoscitive e metodologiche necessarie alla messa a punto e all’applicazione di procedure analitiche avanzate per la determinazione quali-quantitativa di biomolecole in matrici complesse.

Al termine dell’insegnamento, lo/a studente/ssa avrà acquisito:
- conoscenze relative al ruolo della chimica bioanalitica nelle scienze omiche e post-omiche, con riferimento a targeted e untargeted analysis e ai principali contesti applicativi in ambito biologico e biomedico;
- conoscenze relative ai principi di pianificazione sperimentale, ai criteri di campionamento, conservazione, tracciabilità e preparazione del campione, nonché agli aspetti di biosicurezza e alle principali implicazioni etiche e legali;
- conoscenze relative ai fondamenti della separazione cromatografica in bioanalisi, con particolare riferimento a gascromatografia e cromatografia liquida;
- conoscenze approfondite dei principi, delle configurazioni strumentali, delle modalità di acquisizione e delle principali applicazioni della spettrometria di massa in bioanalisi, con particolare attenzione alle sorgenti di ionizzazione, agli analizzatori di massa, all’interpretazione degli spettri e alle tecniche accoppiate.

Lo/a studente/ssa sarà inoltre in grado di:
- impostare in modo ragionato un approccio sperimentale bioanalitico in funzione del quesito scientifico e della matrice in esame;
- discutere criticamente punti di forza, limiti, incertezze e ambiti di applicazione delle diverse tecniche analitiche;
- interpretare dati cromatografici e spettrometrici, inclusi spettri di massa e risultati derivanti da tecniche accoppiate;
- collegare strategie analitiche targeted e untargeted a problemi di studio in ambito biomolecolare;
- comunicare in modo corretto e consapevole risultati, scelte metodologiche e limiti interpretativi utilizzando una terminologia tecnico-scientifica appropriata.

Sono richieste conoscenze di base di chimica analitica e di statistica. È inoltre utile la capacità di comprendere testi tecnico-scientifici in lingua inglese, necessari per seguire le lezioni e discutere articoli e casi studio.

L’insegnamento è dedicato ai principi e alle applicazioni delle tecniche analitiche avanzate per lo studio di biomolecole in matrici complesse di interesse biologico, biochimico e biomedico, con particolare enfasi sulla spettrometria di massa e sulle tecniche ifenate. I contenuti del corso comprendono una introduzione al ruolo della chimica bioanalitica nelle scienze omiche e post-omiche, con riferimento a genomica, trascrittomica, proteomica, metabolomica, metallomica ed esposomica; i principi di pianificazione sperimentale nelle scienze bioanalitiche, con particolare attenzione a targeted e untargeted analysis, definizione degli obiettivi sperimentali, confronto e controllo, replicazione, randomizzazione, stratificazione/blocking e gestione dei fattori confondenti; aspetti di biosicurezza, requisiti etici e legali, criteri di campionamento, conservazione, tracciabilità e preparazione del campione per matrici gassose, liquide e solide.
Il corso affronta inoltre i fondamenti della separazione cromatografica in bioanalisi, con particolare riferimento a gascromatografia e cromatografia liquida, ai meccanismi di separazione, ai principali parametri di prestazione cromatografica, alla derivatizzazione, alle modalità di introduzione del campione, alla scelta delle colonne e delle condizioni operative, anche in vista dell’accoppiamento con rivelazione di massa.
Il nucleo principale dell’insegnamento è dedicato alla spettrometria di massa in bioanalisi. In questo ambito vengono trattati i principi generali della formazione, trasmissione e rivelazione degli ioni, le caratteristiche degli spettri di massa, l’interpretazione di ioni molecolari, frammenti e pattern isotopici, nonché il concetto di risoluzione e potere risolutivo. Sono approfondite le principali sorgenti di ionizzazione utilizzate in GC-MS, LC-MS, MALDI-MS e ICP-MS, con particolare riferimento a ionizzazione elettronica (EI), ionizzazione chimica (CI), electrospray ionization (ESI), atmospheric pressure chemical ionization (APCI), atmospheric pressure photoionization (APPI), matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) e sorgente al plasma accoppiato induttivamente (ICP). Vengono inoltre trattati i principali analizzatori di massa a bassa e alta risoluzione, con particolare attenzione a tempo di volo, quadrupoli, trappole, settori magnetici ed elettrostatici, sistemi a doppio fuoco e configurazioni ibride, insieme alle principali strategie di acquisizione e interpretazione del dato.
Particolare attenzione è dedicata alle tecniche ifenate basate sull’accoppiamento tra separazione cromatografica e spettrometria di massa, alle relative scelte strumentali e metodologiche, e al loro impiego nell’analisi qualitativa e quantitativa di biomolecole, nelle strategie targeted e untargeted, nelle applicazioni omiche, nel sequenziamento, nel bioimaging organico e inorganico, e nelle applicazioni di metallomica. I contenuti del corso sono approfonditi anche attraverso la discussione critica di casi studio e attività di laboratorio applicative.

Materiali di studio obbligatori: slide e materiali didattici presentati e discussi durante le lezioni e le attività di laboratorio, resi disponibili dal docente tramite la piattaforma e-learning del corso. Materiali opzionali/letture integrative: articoli scientifici, casi studio e ulteriori riferimenti bibliografici eventualmente proposti durante il corso dal docente come approfondimento o integrazione ai contenuti trattati.

La verifica dell’apprendimento avviene mediante una prova orale. La prova consiste in una prima parte in cui lo/a studente/ssa presenta brevemente e in modo critico un caso studio o un articolo scientifico a propria scelta, pertinente agli argomenti trattati nel corso; seguono domande di approfondimento sul caso presentato e successivamente su altri temi affrontati nelle lezioni teoriche e nelle attività di laboratorio. La prova è finalizzata a verificare: la conoscenza dei principi delle tecniche bioanalitiche avanzate e delle metodologie pre-analitiche; la capacità di comprendere e discutere criticamente punti di forza, limiti e ambiti applicativi dei diversi approcci analitici; la capacità di impostare la risoluzione di problematiche analitiche in matrici complesse; la capacità di interpretare dati analitici e di collegarli ai quesiti sperimentali; l’uso corretto della terminologia tecnico-scientifica.

Il voto finale dell'insegnamento di Analytical Techniques for Biomolecules è unico e corrisponde alla media aritmetica dei voti singoli conseguiti nei due moduli.

orale

Il/la docente ha il dovere di vigilare affinché siano rispettate le regole di autenticità e originalità delle prove d'esame. Di conseguenza, nei casi in cui vi sia il sospetto di un comportamento irregolare, l'esame può prevedere un ulteriore approfondimento, contestuale alla prova d'esame, che potrà essere realizzato anche in modalità differente rispetto alle modalità sopra riportate.

Griglia di valutazione:
27-30: piena padronanza degli argomenti trattati nel corso, in particolare dei principi e delle applicazioni della spettrometria di massa e delle tecniche ifenate in bioanalisi; capacità di riorganizzare in autonomia le conoscenze acquisite e di applicarle criticamente alla discussione di problemi analitici complessi; capacità di interpretare correttamente dati e risultati e di utilizzare una terminologia tecnico-scientifica appropriata.
23-26: discreta o buona conoscenza degli argomenti trattati nel corso; discreta capacità di organizzare e applicare le informazioni nella discussione di problematiche bioanalitiche e casi studio; adeguata capacità di interpretazione dei dati e uso generalmente corretto della terminologia tecnica.
18-22: conoscenza essenziale o parziale degli argomenti trattati nel corso; capacità limitata di applicare le conoscenze alla discussione di tecniche e problematiche bioanalitiche; interpretazione dei dati non sempre autonoma o pienamente corretta; uso non sempre appropriato della terminologia tecnica.
La lode verrà attribuita in presenza di una conoscenza eccellente dei contenuti, di una piena capacità di integrare criticamente principi, metodi, dati e casi studio, e di una rielaborazione personale, rigorosa e originale delle problematiche affrontate.

L’insegnamento si svolge attraverso lezioni frontali, discussione di casi studio tratti dalla letteratura scientifica e attività di laboratorio. Le attività didattiche sono finalizzate alla comprensione dei principi teorici e degli aspetti applicativi delle principali tecniche bioanalitiche avanzate trattate nel corso, con particolare enfasi sulla spettrometria di massa e sulle tecniche accoppiate, nonché allo sviluppo della capacità di interpretare criticamente dati e risultati. Le attività di laboratorio hanno carattere applicativo e permettono di approfondire alcuni dei temi affrontati nel corso, inclusi aspetti di gestione hardware e software della strumentazione e di trattamento del dato.