Le strutture biologiche non sono semplici materiali passivi, ma sistemi altamente dinamici e organizzati gerarchicamente, le cui proprietà emergono dall’interazione di fenomeni fisici, chimici e meccanici su scale diverse. Questo corso si concentra sulla biomeccanica a scala molecolare e sovra-molecolare, analizzando come le proprietà meccaniche delle biomolecole, in particolare proteine, complessi macromolecolari e reti polimeriche, siano determinanti per l’emergere delle funzioni biologiche. Le proteine agiscono come vere e proprie macchine molecolari, capaci di convertire segnali chimici, meccanici o energetici in lavoro, regolando processi vitali quali trasporto, motilità, trasduzione del segnale e risposta allo stress. Attraverso strumenti di meccanica statistica, modellazione molecolare e simulazioni computazionali, gli studenti acquisiranno le basi per analizzare come variazioni strutturali o interattive a livello molecolare possano causare transizioni funzionali o disfunzioni patologiche. Particolare attenzione è dedicata alla relazione struttura-funzione nelle proteine e al ruolo delle loro dinamiche nella regolazione di funzioni fisiologiche e nell’insorgenza di patologie complesse, incluse malattie neurodegenerative, oncologiche e rare, aprendo la strada a strategie terapeutiche razionali. Il corso introduce anche tecniche avanzate di campionamento, come metadinamica, replica exchange e parallel tempering, che permettono di esplorare in modo efficiente paesaggi energetici complessi e di accedere a stati conformazionali rari ma biologicamente significativi. Verranno inoltre presentati approcci innovativi che integrano l’intelligenza artificiale nelle simulazioni molecolari, potenziando la capacità di analizzare e prevedere il comportamento di sistemi biomolecolari complessi. Il corso rappresenta un punto di incontro tra biologia, ingegneria e fisica computazionale, preparando gli studenti a contribuire attivamente alla ricerca multidisciplinare sulla meccanica della vita.

Il corso fornisce allo studente gli strumenti teorici, computazionali e metodologici fondamentali per affrontare con rigore la modellazione molecolare e multiscala di sistemi biologici e ibridi. Al termine del percorso, lo studente sarà in grado di: - Studiare la dinamica conformazionale di proteine, membrane e acidi nucleici mediante simulazioni di dinamica molecolare classica e avanzata; - Analizzare l’interazione tra molecole biologiche e artificiali (es. legandi, farmaci, nanoparticelle) con particolare attenzione all’effetto di mutazioni e alla predizione dell’affinità di legame; - Integrare concetti di meccanica statistica, termodinamica computazionale e approcci basati su intelligenza artificiale per la previsione e la comprensione delle proprietà meccaniche e funzionali di strutture biomolecolari complesse; - Utilizzare ambienti di calcolo scientifico, tra cui Linux con interprete Bash, Google Colab e Jupyter Notebook, per implementare pipeline di simulazione, analisi e visualizzazione dei dati molecolari; - Approcciare l’uso di risorse di calcolo ad alte prestazioni (HPC) attraverso cenni ai concetti fondamentali della programmazione parallela e della gestione di job su cluster scientifici. Il corso stimola lo sviluppo dell’autonomia di giudizio attraverso momenti di discussione critica e attività di autovalutazione, e promuove le abilità comunicative scritte e orali mediante esercitazioni, tutorial e la presentazione individuale di un progetto computazionale. L’intero percorso formativo è pensato per connettere in modo fluido teoria, pratica e casi d’uso concreti nella biomeccanica molecolare e nella medicina computazionale.

Per affrontare il corso con profitto è utile avere una conoscenza di base delle discipline fondamentali dell’ingegneria, in particolare: fisica, matematica, chimica, biologia di base, meccanica e scienza dei materiali. Non è richiesta alcuna esperienza pregressa in modellazione molecolare. Tutte le competenze tecniche e informatiche necessarie saranno acquisite direttamente durante il corso, grazie a lezioni pratiche e guidate. In particolare, si lavorerà in aula e in laboratorio con: - Ambienti Linux e interprete Bash, introdotti in modo progressivo e accessibile; - Notebook interattivi (Jupyter, Google Colab) per lo sviluppo e l’analisi di simulazioni; - Cenni alla programmazione scientifica e alla gestione del calcolo HPC, con esempi guidati; - Utilizzo di software e strumenti open-source per la simulazione e l’analisi molecolare. Il docente fornirà materiale dedicato per ogni strumento usato e durante i laboratori computazionali sarà possibile colmare eventuali difficoltà, sia teoriche che pratiche. L’obiettivo è garantire a tutti gli studenti – indipendentemente dal background informatico – la possibilità di acquisire piena autonomia nell’uso degli strumenti presentati.

Il corso si articola in una serie di moduli teorici e pratici pensati per guidare progressivamente lo studente nella comprensione e nell’utilizzo degli strumenti di modellazione molecolare e multiscala in biomeccanica. I principali argomenti trattati includono: - Introduzione alla modellazione molecolare e supramolecolare: concetti chiave e motivazioni biologiche e ingegneristiche; - Meccanica statistica per sistemi biologici: strumenti fondamentali per descrivere il comportamento di sistemi complessi e fluttuanti; - Modellazione molecolare e multiscala: dalla meccanica molecolare classica alla dinamica molecolare e ai metodi di campionamento avanzato (metadinamica, replica exchange, ecc.); - Modellazione dell’interazione ligando-recettore e calcolo dell’affinità di legame; - Metodi coarse-grained (a grana grossa) per la simulazione di sistemi su larga scala; - Analisi modale e network analysis: studio delle correlazioni locali e globali nelle proteine; Laboratori computazionali: - Introduzione all’ambiente Linux e all’uso dell’interprete Bash; - Utilizzo di Jupyter Notebook e Google Colab per simulazioni e analisi; - Simulazioni pratiche: dinamica conformazionale di proteine, deformazioni meccaniche, procedura di annealing, interazioni proteina-proteina e ligando-proteina. Durante il corso saranno inoltre organizzati seminari tematici con casi studio reali, tenuti da ricercatori attivi nel settore, per mostrare come le tecniche apprese vengano oggi applicate nella ricerca biomedica e farmaceutica, nell’ingegneria dei materiali bioibridi e nella progettazione di strategie terapeutiche.

Il corso si articola attraverso una combinazione equilibrata di lezioni frontali e attività di laboratorio computazionale, pensate per garantire una solida comprensione teorica e una progressiva acquisizione di competenze operative. Le attività didattiche includono: - Lezioni frontali per introdurre e discutere i concetti fondamentali di biomeccanica molecolare e multiscala, con frequenti richiami interdisciplinari (fisica, chimica, biologia, ingegneria); - Laboratori computazionali al calcolatore, svolti in ambienti Linux e notebook interattivi (Jupyter/Colab), per implementare simulazioni molecolari e analisi pratiche; - Seminari applicativi con ospiti esterni o casi di studio reali, per contestualizzare quanto appreso e stimolare l’interesse verso ambiti di ricerca avanzata e innovazione terapeutica.

Tutto il materiale necessario per seguire efficacemente il corso (slide, dispense, notebook ed esercitazioni) sarà fornito direttamente dal docente e costantemente aggiornato durante il semestre. Il materiale è concepito per guidare lo studente passo dopo passo, sia nella parte teorica che nelle esercitazioni pratiche. Per chi desidera approfondire, sono consigliati, ma non obbligatori, i seguenti testi di riferimento: - Dill, K.A., Bromberg, S. (2003). Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Chemistry and Biology. Garland Science. o “Altamento consigliato. Un riferimento imprescindibile per comprendere le basi della meccanica statistica applicata alla biologia.” - Leach, A.R. (2001). Molecular Modelling: Principles and Applications. Prentice Hall. o “Altamento consigliato. Un testo ampio e accessibile sulla modellazione molecolare, utile per i fondamenti teorici e pratici.” - Rapaport, D.C. (2004). The Art of Molecular Dynamics Simulation. Cambridge University Press. o “Ottimo per approfondire algoritmi e implementazioni pratiche nella dinamica molecolare.” - Frenkel, D., Smit, B. (2001). Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications. Academic Press. o “Un manuale avanzato per chi vuole esplorare in profondità i metodi numerici alla base delle simulazioni.”

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale;

Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;

... L’esame consisterà in una prova orale individuale. Per poter sostenere l’orale, è necessario aver svolto le esercitazioni di laboratorio previste (anche in autonomia) e presentare un report sintetico in formato PowerPoint (.pptx), da consegnare e discutere durante la prova. Il report, obbligatorio per tutti gli studenti, indipendentemente dalla frequenza ai laboratori in presenza, deve documentare in modo chiaro e tracciabile le procedure svolte, includendo grafici, risultati delle simulazioni e analisi delle osservazioni. Non è richiesto che sia prolisso o formale: l’essenziale è che sia completo, leggibile e funzionale alla discussione orale. Durante l’orale, il docente valuterà: 1. La conoscenza e comprensione degli argomenti teorici trattati nel corso; 2. La capacità di applicare i concetti appresi a esempi concreti, inclusi quelli emersi durante le simulazioni pratiche; 3. La chiarezza nell’esposizione e la padronanza degli strumenti computazionali utilizzati nei laboratori; 4. L’originalità e il pensiero critico nell’analisi dei risultati e nella discussione tecnico-scientifica. Durante l’esame orale, il docente potrà porre domande pratiche, interpretative o teoriche, anche collegate ai risultati ottenuti o alle scelte metodologiche effettuate dallo studente.

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.