Corso di Bioinformatica

6 CFU BIO/10

Docente: Prof. Stefano Pascarella

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Obiettivi formativi

La complessità e la quantità di dati biomolecolari e genomici oggi disponibili richiedono  l’uso di metodi computazionali sia per la loro gestione che, soprattutto, per l’estrazione di informazione biologica e funzionale. La Bioinformatica è la disciplina che si occupa dell’analisi e dell’attribuzione di significato biologico alla massa di dati molecolari disponibile fino ad oggi e rappresenta uno strumento imprescindibile nell’ambito delle attività biochimiche, biologico-molecolari, biomediche e biotecnologiche.

Il corso di Bioinformatica ha l’obiettivo di introdurre lo studente di Biotecnologie alla comprensione delle basi logico-matematiche e algoritmiche dei più comuni strumenti computazionali oggi in uso nelle analisi bioinformatiche di strutture di proteine e acidi nucleici e all’acquisizione delle capacità di utilizzo pratico.

Gli studenti che supereranno l’esame saranno avranno acquisito le competenze e conoscenze nelle seguenti aree:

a) conoscenza e capacità di comprensione

-        comprensione della natura dei dati biomolecolari

-        comprensione della logica sottostante gli algoritmi dei programmi bioinformatici di analisi dati

-        capacità di elaborare processi anche complessi di analisi bioinformatiche di dati in ambito applicativo e di ricerca

b) capacità di applicare conoscenza e comprensione

-        capacità di utilizzare razionalmente ed efficacemente gli strumenti bioinformatici più diffusi e significativi

-        individuare con efficacia lo strumento adatto alla soluzione di un determinato problema

-        applicare soluzioni complesse

-        progettare il trasferimento dei risultati nella pratica sperimentale

c) autonomia di giudizio

-        saper individuare i limiti di applicazione degli strumenti bioinformatici

-        saper interpretare e applicare criticamente i risultati ottenuti

d) abilità comunicative

-        saper illustrare la logica utilizzata per sviluppare una soluzione a un problema bioinformatico

-        saper comunicare e spiegare il significato dei risultati

e) capacità di apprendimento

-        acquisire le conoscenze di base per progredire autonomamente nell’apprendimento dell’uso e del funzionamento di strumenti avanzati di bioinformatica

Prerequisiti

Il corso si colloca nel primo semestre del primo anno. Per seguire con profitto, lo studente deve possedere:

-        nozioni di base di Chimica biologica inclusa la struttura delle proteine

-        nozioni di Biologia Molecolare

-        nozioni di base di statistica e teoria della probabilità

-        conoscenza di base dell’uso del calcolatore e di navigazione internet.

Contenuto dell’insegnamento

L’insegnamento prevede 48 ore di didattica frontale comprendente attività teorico-pratiche.

Lezioni frontali

-        Descrizione delle principali banche di dati biologiche e delle modalità di interrogazione (3 ore)

-        Confronto di due sequenze con algoritmi esatti ed euristici; confronto di due genomi (4 ore)

-        Matrici di punteggio (1 ora)

-        Ricerche in banche dati per somiglianza di sequenza (4 ore)

-        Metodi per calcolare allineamenti multipli di sequenze (4 ore)

-        Costruzione di profili e PSSM (2 ore)

-        Ricerche con profili in banche dati; banche dati di profili (4 ore)

-        Modelli di Markov Nascosti (HMM) e uso per ricerche in banche dati, allineamento di sequenze, previsione di strutture proteiche, previsione di geni (4 ore)

-        Reti neurali e algoritmi di classificazione automatica; applicazione alla previsione di strutture secondarie, dell’accessibilità al solvente, peptidi segnale, epitopi antigenici, zone di interazione proteina-proteina (4 ore)

-        Uso di progammi di grafica molecolare (2 ore)

-        Confronto e sovrapposizione di strutture proteiche (2 ore)

-        Metodi di previsione della struttura tridimensionale delle proteine: metodi di riconoscimento di fold (2 ore)

-        Metodi di modellizzazione per omologia e di valutazione dei modelli (6 ore)

-        moduli specialistici (6 ore)

·         filogenesi molecolare

·         docking

·         cenni di meccanica molecolare

Modalità di svolgimento dell’insegnamento

La frequenza delle lezioni dell’insegnamento non è obbligatoria. Il corso è strutturato in lezioni teorico-pratiche che si tengono in un’aula informatizzata. L’aula è coperta dal segnale WiFi Sapienza e pertanto gli studenti possono utilizzare anche il proprio computer portatile per la parte pratica delle lezioni.

La parte teorica viene illustrata attraverso presentazioni PowerPoint e videoproiezione di utilizzo di siti internet. La parte pratica viene svolta contestualmente a quella teorica utilizzando sul proprio computer o sui computer disponibili in aula i siti che mettono a disposizione i metodi bioinformatici descritti. La parte pratica è interattiva e permette la discussione e l’analisi dei risultati dell’esercizio pratico svolto insieme al docente. Il sito elearning2.uniroma1.it contiene il materiale mostrato durante la lezione e le esercitazioni pratiche che possono così essere ripetute autonomamente e indipendentemente dallo studente anche in remoto.

Modalità di valutazione

La  prova d’esame ha l’obiettivo di verificare il livello di conoscenza ed approfondimento degli argomenti del programma dell’insegnamento e la padronanza acquisita nell’uso degli strumenti illustrati durante il corso. La valutazione è espressa in trentesimi (voto minimo 18/30, voto massimo 30/30 con lode).

La valutazione consiste nella discussione dello svolgimento e dei risultati di un progetto di caratterizzazione strutturale e funzionale di una proteina assegnato agli studenti un congruo anticipo rispetto alla data dell’esame. Il progetto può essere svolto individualmente o in piccoli gruppi (massimo 3 persone). Durante la discussione lo studente deve dimostrare di aver compreso ed essere in grado di spiegare  la logica con cui si selezionano e si utilizzano gli strumenti software, il relativo funzionamento, l’interpretazione critica dei dati. La discussione è integrata da argomenti teorici più generali.

Testi consigliati

Pascarella, Paiardini – “Bioinformatica: dalla sequenza alla struttura delle proteine”, Zanichelli

Tutto il materiale didattico depositato presso  il sito elearning2.uniroma1.it