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Modelli biomeccanici multiscala

01NEJMV

A.A. 2019/20

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 30
Esercitazioni in laboratorio 30
Tutoraggio 20
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Deriu Marco Agostino   Professore Associato ING-IND/34 30 0 30 0 6
Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/34 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2019/20
Le proprietà dei materiali biologici sono state il punto focale di studi approfonditi negli ultimi decenni, che hanno portato alla formazione di un campo di ricerca attivo che collega intimamente la biologia, la chimica e la scienza dei materiali. L'integrazione di studi numerici predittivi con metodi sperimentali rappresenta una nuova frontiera nella ricerca sui materiali biologici. Incorporando i concetti dell'ingegneria strutturale, della scienza dei materiali e della biologia, la biomeccanica molecolare ha dimostrato la capacità di studiare i principi fondamentali che collegano la scala atomistica alla scale funzionali comprendendo come i materiali biologici ottengono proprietà meccaniche attraverso la formazione di strutture gerarchiche , attraverso una fusione dei concetti di struttura e materiale. Particolare enfasi sarà data alle proteine che sono affascinanti macchine molecolari capaci di organizzarsi in strutture gerarchiche ben definite attraverso un numero enorme di cambiamenti conformazionali per realizzare una vasta gamma di funzioni cellulari. Gli stati di proteine sono strettamente correlati a numerose patologie come ad esempio le malattie neurodegenerative. Il corso offre una descrizione dello stato dell'arte della biomeccanica alla scala molecolare, supramolecolare e subcellulare e della modellizzazione sia nella ricerca accademica che nell'industria a partire dalle basi teoriche degli approcci presentati. I casi pratici saranno l'obiettivo di specifici tutorial pratici.
The properties of biological materials have been the focal point of extensive studies over the past decades, leading to formation of an active research field that intimately connects biology, chemistry and materials science. The integration of predictive numerical studies with experimental methods represents a new frontier in materials research. By incorporating concepts from structural engineering, materials science and biology computational multiscale modelling has demonstrated the ability to investigate the core principles that link the fundamental atomistic-scale chemical structures to functional scales by understanding how biological materials achieve superior mechanical properties through the formation of hierarchical structures, via a merger of the concepts of structure and material. Particular emphasis will be provided to proteins which are fascinating molecular machines capable of organizing themselves into well-defined hierarchical structures through a huge number of conformational changes to accomplish a wide range of cellular functions. Misfolded states of proteins are closely related to a number of pathologies such as for example neurodegenerative diseases. The course offers a description about the state of the art of molecular biomechanics and modelling at the molecular, supramolecular and subcellular scale, in both academic research and industry starting from the theoretical basis of the presented approaches. Practical cases will be the objective of specific hands-on tutorials.
Il corso fornirà allo studente gli strumenti teorici e computazionali essenziali necessari per affrontare la modellizzazione della scala molecolare dei sistemi biologici e ibridi e studiarne la biomeccanica. Lo studente acquisirà competenze su approcci e tecniche che gli permetteranno di studiare le dinamiche conformazionali di proteine, di membrane e acidi nucleici, di progettare e caratterizzare nanoparticelle per il rilascio di farmaci, predire l'effetto di ligandi o mutazioni sull'attività dei recettore allo scopo di progettare al computer strategie terapeutiche per cancro e malattie neurodegenerative. Questo insegnamento contribuisce a sviluppare l'autonomia di giudizio mediante prove di autovalutazione in aula e in laboratorio. Contribuisce a migliorare le abilità comunicative sia scritte, che orali mediante esercitazioni frontali, di gruppo, tutorial individuali e attraverso lo sviluppo di un breve progetto da esporre al corpo docente in sede di esame. La capacità di apprendimento è stimolata da un percorso formativo che alterna, in una scansione organizzata, principi metodologici, esempi applicativi, ed esercizi di approfondimento. La possibilità di essere seguiti nella realizzazione di una breve ricerca su un argomento scelto insieme al docente, spinge gli studenti a svolgere indagini su siti web, a visionare la letteratura scientifica e a prendere coscienza degli ambiti applicativi relativi al corso.
The course will be focused on equipping the student with the essential toolbox of computational and theoretical methods required to tackle the modeling the molecular, supramolecular and subcellular scale of biological and biohybrid systems. The student will gain competencies on approaches and techniques to e.g., investigate conformational dynamics of proteins, membrane and nucleic acid dynamics, design, tailor and characterize nanovectors for drug delivery, predict the effect of ligands or mutations on receptor activity to design therapeutic strategies in cancer and neurodegenerative diseases. This course will help students to develop their independent thinking through self-assessment tests. The course will help to improve both written and oral communication skills through classroom exercises, group and individual tutorials and through the development of a short project on a specific topic. The ability to learn is stimulated by a training program that alternates, in an organized schedule, methodological principles, application examples, and exercises.
In generale, è richiesta una conoscenza delle basi della ingegneria con particolare riferimento alla fisica, matematica, chimica, fondamenti di biologia, meccanica, scienza dei materiali. Il docente svolgerà delle lezioni di ripasso per colmare eventuali lacune. Non è richiesta alcuna abilità specifica con il computer. Il docente provvederà a fornire tutte le basi per l’utilizzo dei software a lezione e durante ulteriori sessioni che potranno essere organizzate in sede di tutoraggio anche personalizzato dove necessario.
Good knowledge of the basics of engineering with particular attention to physics, mathematics, chemistry, biology, mechanics, materials science. The lecturer will fill specific background gaps by ad hoc lectures. No specific computer skills are required. The teacher will provide information on required bases for software. Personalized tutoring will be available.
Introduzione alla modellazione molecolare e supramolecolare Concetti di meccanica statistica applicati a problemi al settore bio. Base di modellazione molecolare e multiscala. Meccanica e dinamica molecolare, campionamento avanzato. Tecniche di progettazione di farmaci: modellazione dell’interazione ligando/recettore, calcolo dell'affinità di legame. Cinetica del legame farmacologico. Metodi Coarse Grained (grana grossa) per la modellazione multiscala Analisi modale per lo studio delle correlazioni locali/globali in polimeri/proteine/superassemblaggi Esercitazione in Laboratorio. Ambiente Linux e interprete di Bash. Esercitazione in Laboratorio (argomenti possibili: simulazione di dinamica di proteina e interazione farmaco recettore, studio della dinamica vibrazionale di Nanotubi di Carbonio, Meccanica dei filamenti citoscheletrici)
Introduction to molecular modeling Concepts of statistical mechanics applied to biological field. Elements of Molecular Mechanics Elements of molecular dynamics Advanced sampling methods Mechanism of protein-protein and ligand / receptor interactions, calculation and decomposition of binding affinity. Dynamics and Kinetics of ligand / receptor interactions Coarse-grained methods for modeling biological assemblies (eg protein membrane systems) Modal analysis for the study of global correlation modes in polymers/proteins/complex assemblies Numerous applicative examples will be presented with a focus on neurodegenerative diseases and tumors. Laboratory Exercise. Linux environment and Bash interpreter. Laboratory Exercise (simulation of protein dynamics, ligand-receptor interaction, study of the vibrational dynamics of carbon nanotubes)
L'insegnamento prevede lezioni frontali, esercitazioni in aula e in laboratorio al calcolatore.
Lectures, classroom exercises and hands on in computational lab.
Il docente fornirà tutto il materiale per il corso (slide e dispense) sia per le lezioni che per le esercitazioni e laboratori. Saranno inoltre suggeriti dei libri di testo come approfondimento a discrezione dello studente. • Dill, K.A., Bromberg, S., 2003. Molecular driving forces : statistical thermodynamics in chemistry and biology. Garland Science. • Leach, A.R., 2001. Molecular modelling : principles and applications. Prentice Hall. • Rapaport, D.C. 2004. The Art of Molecular Dynamics Simulation. Cambridge. • Frenkel, D. , Berend, S. 2001, Understanding Molecular Dynamics Simulation. Academic Press.
The teacher will provide all the course material (slides and lecture notes). Suggested textbooks: • Dill, K.A., Bromberg, S., 2003. Molecular driving forces : statistical thermodynamics in chemistry and biology. Garland Science. • Leach, A.R., 2001. Molecular modelling : principles and applications. Prentice Hall. • Rapaport, D.C. 2004. The Art of Molecular Dynamics Simulation. Cambridge. • Frenkel, D. , Berend, S. 2001, Understanding Molecular Dynamics Simulation. Academic Press.
Modalità di esame: progetto di gruppo;
Un progetto computazionale sarà assegnato agli studenti. Da sviluppare in team (da 3 a 5 studenti). Ogni team presenterà un report sui risultati del progetto tramite una presentazione (formato pptx) e un report (formato docx). Il docente durante la presentazione farà qualche domanda correlate al progetto svolto e alla teoria di base utilizzata nel lavoro di modelling presentato in sed d'esame.
Exam: group project;
Team Project. The project will be based on an applied problem of molecular biomechanics to be solved by a student team. The team will develop a report (docx format) and will deliver an oral presentation (pptx format). Each member will be required to present a part of the work and to answer few questions concerning the project and related theory.


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