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PORTALE DELLA DIDATTICA

Biomeccanica multiscala

01UQUMV

A.A. 2022/23

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 40
Esercitazioni in laboratorio 20
Tutoraggio 10
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Deriu Marco Agostino - Corso 1   Professore Associato ING-IND/34 20 0 15 0 3
Deriu Marco Agostino - Corso 2   Professore Associato ING-IND/34 20 0 15 0 3
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/34 6 B - Caratterizzanti Ingegneria biomedica
2022/23
Le proprietà e le caratteristiche delle strutture biologiche sono state il punto focale di studi approfonditi negli ultimi decenni. Tali studi hanno stimolato lo sviluppo di un innovativo campo di ricerca multidisciplinare che collega fisica, chimica, biologia, e scienza dei materiali. L'integrazione di studi numerici predittivi con metodi sperimentali rappresenta una nuova frontiera nella ricerca sul comportamento fisiologico e patologico del corpo umano. Integrando concetti di meccanica, chimica, fisica, statistica, ecc.. applicati a livello molecolare e macromolecolare è possibile costruire modelli capaci di spiegare i complessi meccanismi multiscala e multifisici che sono alla base delle proprietà espresse dalle strutture biologiche, identificare i principi fondamentali che collegano la scala atomistica alla scale funzionali, e predire le peculiari proprietà dei materiali biologici. Nel quadro descritto, le proteine sono certamente tra gli attori principali che determinano il comportamento delle strutture costituenti il corpo umano. Le proteine 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. La intima relazione struttura funzione che caratterizza il funzionamento delle proteine è strettamente correlata alla spiegazione di numerose patologie quali ad esempio le malattie neurodegenerative. Il corso offre una descrizione dello stato dell'arte della biomeccanica molecolare di come l'analisi della struttura molecolare sia utile per studiare, a scale più alte, le proprietà macroscopiche dei materiali biologici.
The properties and characteristics of biological structures have been the focus of extensive studies in recent decades. Such studies have stimulated the development of an innovative multidisciplinary research field that links physics, chemistry, biology, and materials science. The integration of predictive numerical studies with experimental methods represents a new frontier in research on the physiological and pathological behavior of the human body. By integrating concepts of mechanics, chemistry, physics, statistics, etc.. applied at the molecular, macromolecular and subcellular level, it is possible to build models capable of explaining the complex multiscale and multiphysical mechanisms that underlie the properties expressed by biological structures, identifying the fundamental principles that link the atomistic scale to the functional scale, and predicting unique properties of biological materials. In the described framework, proteins are certainly among the main players determining the behavior of the structures constituting the human body. Proteins are fascinating molecular machines capable of organizing themselves into well-defined hierarchical structures through an enormous number of conformational changes to accomplish a wide range of cellular functions. The intimate structure-function relationship that characterizes the functioning of proteins is closely related to the explanation of numerous pathologies such as neurodegenerative diseases. The course offers a state-of-the-art description of how molecular biomechanics is useful for studying the macroscopic properties of biological materials at higher scales.
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.
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. Modellazione dell’interazione ligando/recettore, calcolo dell'affinità di legame. Analisi modale per lo studio delle correlazioni locali/globali in proteine Metodi Coarse Grained (grana grossa) per la modellazione multiscala Esercitazione in Laboratorio. ambiente Linux e interprete di Bash; ambiente colab. Esercitazione in Laboratorio (simulazione di dinamica conformazionale di proteine, simulazione di prove di deformazione meccanica, simulazione di procedura di annealing, caratterizzazione dell'interazione proteina-proteina; ligando-proteina)
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. Lezioni ed esercitazioni possono essere erogate sia in presenza che in remoto (aula e laboratorio virtuale).
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: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
Progetto Computazionale da svolgere in gruppo (da 3 a 5 studenti). Il Progetto consiste nello studio della dinamica conformazionale di un sistema macromolecolare utilizzando i metodi computazionali introdotti durante il corso. Ogni team preparerà un report sui risultati del progetto svolto in forma di presentazione (es. pptx) che dovrà essere consegnata al docente qualche giorno prima dell'esame. L'esame è un orale INDIVIDUALE. Durante l orale il docente potrà, chiedere informazioni correlate al progetto svolto e (a sua discrezione) ai concetti trattati durante il corso. Il docente valuterà 1. la conoscenza dello studente degli argomenti trattati durante il corso 2. la capacità dello studente di applicare i concetti teorici ad esempi pratici (ad esempio correlando i concetti teorici alla loro applicazione nel progetto di gruppo) 3. l'originalità e il pensiero critico dello studente in relazione agli argomenti teorici/esempi applicativi trattati durante esame.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Compulsory oral 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.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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