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Ingegneria proteica e disegno di farmaci - DM 270

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Protein engineering and drug design

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Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
MFN1226
Docenti
Prof. Gianfranco Gilardi (Titolare del corso)
Gianluca Catucci
Corso di studio
LM in Biotecnologie Industriali
Anno
2° anno
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
8
SSD attività didattica
BIO/10 - biochimica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Inglese
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti

conscenze base di biochimica delle proteine e degli enzimi e di folding
conoscenze di enzimologia

Basic knowledge of protein biochemistry and enzymology
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

L'insegnamento concorre alla realizzazione degli obiettivi formativi del Corso di Laurea in Biotecnologie Industriali permettendo agli studenti di integrare le conoscenze già acquisite in ambito biochimico ed enzimologico con competenze relative a contesti di sviluppo più recente dell'ambito biotecnologico, con riferimenti specifici al disegno dei farmaci sulla base dei loro target proteici.

Il corso fornisce agli studenti strumenti per il design e costruzione di modelli molecolari e mutanti di proteine ed enzimi basandosi su nozioni della relazione struttura-funzione delle macromolecole biologiche. Gli studenti impareranno a ragionare in termini di struttura-azione di farmaci e sulla importanza della 'quantitative structure-activity relationship" (QSAR) in relazione a farmaco-recettore. 

Si porra' attenzione allo sviluppo di capacita' critica nell'affrontare problemi in questo settore della ricerca, acquisendo conoscenze e dimestichezza su aspetti teorici, informatici (bioinformatica, modelling molecolare) e tecniche di laboratorio.

The course contributes to the objectives of the Master program in Industrial Biotechnology, enabling students to integrate knowledge already acquired in the biochemical and enzymological fields with skills related to the latest biotechnological advances, with specific references to the design of drugs based on their protein targets.

The course provides students with tools for the design and construction of molecular models of wild type and mutant proteins based on notions of the relationship between their structure and function. In particular, students will learn the structure-function of Phase I human drug metabolising enzymes including cytochromes P450.  Important techniques for the study of such enzymes and their interaction with drugs and inhibitors will covered including 'quantitative structure-activity relationship "(QSAR), electrochemistry of the immobilised enzymes, FTIR, Flourescence. Methods for production of libaries of mutants will also be covered.
Major attention will be placed on students "development of capacity" in addressing critical problems in this area of research, acquiring knowledge and familiarity of the theoretical aspects as well as laboratory techniques and bioinformatics.

 

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Risultati dell'apprendimento attesi

Gli studenti devono acquisire le seguenti competenze, dettagliate secondo i Descrittori di Dublino

imostrare di sapere risolvere esercizi e  problemi di cinetica enzimatica

A: CONOSCENZA e CAPACITA' di comprensione

conoscenza delle relazioni struttura/funzione di enzimi umani che metabolizzano i farmaci e del loro utilizzo per pianificare strategie di mutagenesi

conoscenza delle principali tecniche di mutagenesi sito specifica e random

conoscenza delle strategie di rational design di farmaci e QSAR

 

B: CAPACITA'  APPLICATIVE

  • dimostrare di sapere pianificare una strategia sperimentale di docking to farmaci in modelli di enzimi
  • saper impostare una analisi in silico facendo un modello di proteina e inserendo il ligando

C: AUTONOMIA DI GIUDIZIO

  • saper analizzare la letteratura recente e leggere criticamente i risultati di studi ingegneria proteinca e disegno di farmaci

D: ABILITA' NELLA COMUNICAZIONE

  • presentare al seminario in inglese un articolo di letteratura recente sugli argomenti discussi a lezione (la presentazione viene valutata per il 10% del voto finale)
  • il corso è svolto in inglese e gli studenti vengono invitati a porre domande in lingua inglese

 

Students must acquire competences, detailed following the Dublin Descriptors below:

A: KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

  • knowledge and ability to discuss and present the mechanisms of catalysis of the enzymes presented in the course
  • knowledge of the vitamin and metal cofactor and their relevance for applucative purposes in catalysis

B: APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

  • resolving problems and exercises in enzyme kinetics applying the correct mathematical models
  • setting experiments for charaterisation of enzyme and for determining the kinetic and thermodynamic constants, in particular for those useful for applicative use in industrial processes

C: INDIPENDENCE IN JUDGEMENT

  • critically analysing the recent literature on enzymology and discussing results

D: COMUNICATION SKILLS

  • abilty to present a paper of the most recent literature in enzymology, discussing the enzyme mechanism of action (oral exam)
  • the course is in english and students are encouraged to ask questions and discuss in english
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Programma

Modulo A: Ingegneria proteica
Gli argomenti trattati in questa parte del corso saranno:
- Struttura delle proteine e folding
- Banche dati per proteine: CATH, SCOP; Modelling di proteine per omologia, pattern search, calcolo di
fattori energetici e elettrostatici PROCHECK, LIGPLOT, DOCK).
- Disegno razionalizzato delle proteine: mutagenesi sito-specifica, metodi e approcci.
- Evoluzione diretta di proteine e enzimi: mutagenesi random, ricombinazione, DNA-shuffling.
- Ingegneria de novo di proteine modello per studi di folding, siti di legame per metalli, fasci di eliche.
- Ingegneria proteica applicata a studi di trasferimento elettronico intra- e inter-molecolari
- Applicazioni di disegno razionalizzato per l'immobilizzazione e la costruzione di biosensori amperometrici
(voltammetria ciclica, tecniche AFM e STM).
- Ingegnerizzazione di anticorpi: costruzione di libraries, phage display e selezione in vitro. Applicazioni nel
campo della medicina, radioimmunoterapia, attivazione pro-drug.
- Ingegnerizzazione del P450 e principi sul metabolismo dei farmaci;
- Attivita di seminari preparati e presentati dagli studenti basati su pubblicazioni dell'ultimio anno sul tema
dell'ingegneria proteica e disegno di farmaci
- Esercitazioni di molecular modelling con costruzione e valutazione di un modello di P450.
Modulo B: Disegno di Farmaci
Il modulo sara' dedicato principalmente ai seguenti aspetti:
- Basi molecolari dell'azione dei farmaci
- Disegno razionalizzato, interazione con recettori
- Sintesi combinatoriale, metodi di screening

Part A: Protein Engineering
In this part the following topics will be covered:
- Protein Structure and Folding
- Protein Data Banks: CATH, SCOP; Homology protein modelling, pattern search, Energy and
electrostatic factors, PROCHECK, LIGPLOT, DOCK.
- Protein rational design: site-directed mutagenesis, methods and approaches
- Directed evolution of proteins: random mutagenesis, recombination, DNA-shuffling

- De novo design of proteins: models for protein folding, design of helix bundles, metal binding sites
- Ingegneria proteica applicata a studi di trasferimento elettronico intra- e inter-molecolari
- Applications of rational design in the construction of optical and amperometric biosensore.
- Bioelectrochemistry, Ciclic voltammetry, AFM, STM.
- Antibody engineering: Construction of libraries, phage display, in vitro selection. Applications in medicine,
radioimmunotherapy, pro-drug activation.
- Engineering cytochromes P450, principles of drug metabolism.
- Student seminars on protein engieering and drug design
- Practicals on molecular modelling and ligand binding
Part B: Drug Design
This part of the course will be mainly devoted to the following aspects:
- Molecular basis of drug action
- Rational drug design and interaction with receptors
- Combinatorial synthesis and screening methods

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Modalità di insegnamento

· Lezioni frontali (N.ore): 56
· Esercitazioni OBBLIGATORIE (N.ore): 25

Lectures (56 hours)

Practicals COMPULSORY (25 hours): in silico modelling of drug metabolising enzymes followed by structure assesment and finally docking of drugs in the 3D model of the protein.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame prevede una prova scritta di tre domande stile tema da rispondere in due ore. Il voto assegnato ad ognuna delle tre risposte pesa per un 26% ognuna al voto finale, arrivando cosi ad un peso finale della prova scritta di 78%.

Il rimanente 22% che concorre al voto finale è rappresentato dalla parte pratica. Questa è composta da un 11% di peso per l'esercitazione pratica di "modelling molecolare e relazione" e per un 11% di peso per il seminario presentato dallo studente. I due voti della parte pratica vengono tenuti validi per 3 anni accademici e poi si azzerano.

Le esercitazioni pratiche sono OBBLIGATORIE.

The exam is written and consists of three open questions to be answer in two hours in total. The mark for each answer contribute for 26% each to the final mark. The written exams contributes therefore for a total of 78% to the final mark.

The remaining 22% is assigned to the practical part of the course. This is made by 11% of weigth for the "Modelling and report" component, and another 11% of weight for the "Seminar" presented by the student.

The marks of the practicals are kept valid for 3 academic years, then they are zeroed.

The practicals are COMPULSORY.

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Testi consigliati e bibliografia

è fortemente consigliato l'utilizzo del materiale didattico presentato alle lezioni e disponibile sul sito del ccs http://biotecnologieindustriali.campusnet.unito.it

Siti internet di interesse:
www.expasy.ch
www.rcsb.org/pdb

It is strongly recommended to use the lessons and teaching material available on the website  http://biotecnologieindustriali.campusnet.unito.it
In addition, during the lectures refernces material in form of recently published aritcles will be specified as reading material.

Bioinformatic tools and data available on the following websites are also recommended:

www.expasy.ch
www.rcsb.org/pdb

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Note

Primo semestre Il 

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Moduli didattici

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Altre informazioni

http://biotecnologieindustriali.campusnet.unito.it/do/documenti.pl/ShowFile?_id=7b21;field=file;key=fk0eY0KDHvd4s
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    Ultimo aggiornamento: 26/01/2020 12:52
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