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.

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.

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.

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)

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).

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.

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.