Ateneo - UPO

Il corso fornisce una solida base teorica e pratica di Biologia Sintetica, seguendo lo sviluppo della disciplina dai capisaldi della tecnologia del DNA ricombinante fino alle più avanzate tecnologie di ingegneria genomica e genomica sintetica. Vengono trattate le parti biologiche standardizzate, gli strumenti bioinformatici di progettazione (design di oligonucleotidi, ottimizzazione del codone, clonaggio virtuale), le strategie di clonaggio «scarless» (Gibson assembly, Golden Gate, LIC), il ciclo «design–build–test–learn», le tecnologie di ingegneria del genoma (ZFN, TALEN, CRISPR/Cas9) e i circuiti sintetici/l'ingegneria metabolica. Una parte rilevante del corso è dedicata alle applicazioni biomediche della Biologia Sintetica: biosensori, terapie geniche e cellulari (cellule CAR-T), cell factories per la produzione di proteine ricombinanti, farmaci semisintetici, alimenti sostenibili, probiotici ingegnerizzati, biomateriali e diagnostica/vaccini, con particolare riferimento alle lezioni apprese dalla pandemia di SARS-CoV-2. Nell'edizione estesa (36 ore) sono inoltre trattati gli aspetti etici, normativi e imprenditoriali: biosicurezza e biocontenimento, Dual Use Research of Concern (DURC), il movimento «Do-It-Yourself» (DIY) Biology, brevettabilità e imprenditorialità in Biologia Sintetica.

●      Christina Smolke (Editor), Sang Yup Lee (Series Editor), Jens Nielsen (Series Editor), Gregory Stephanopoulos (Series Editor), Synthetic Biology: Parts, Devices and Applications. Wiley-VCH (2018), ISBN: 978-3-527-33075-1●      Paul Simon Freemont, Richard I. Kitney, Synthetic Biology - A Primer, Imperial College Press,●      Natalie Kuldell, BioBuilder, O'Reilly Media, ISBN 1491904291●      Huimin Zhao (Ed), Synthetic Biology. Tools and Applications. Academic press. Hardback ISBN: 9780123944306, eBook ISBN: 9780123978202●   Liljeruhm J, Gullberg E, Forster AC. Synthetic Biology – a lab manual. World Scientific Publishing Co, Singapore

Il corso si propone di fornire agli studenti della Laurea Magistrale in Biotecnologie Mediche una preparazione avanzata e interdisciplinare in Biologia Sintetica, integrando i fondamenti dell'ingegneria genetica classica con le più recenti tecnologie di progettazione, costruzione e programmazione di sistemi biologici. L'obiettivo è formare professionisti in grado di comprendere, valutare criticamente e contribuire allo sviluppo di applicazioni biomediche innovative — terapie geniche e cellulari, biosensori, farmaci e vaccini, biomateriali — nel rispetto dei principi di biosicurezza, etica e sostenibilità, e con piena consapevolezza degli aspetti regolatori, brevettuali e imprenditoriali del settore.

● Biologia molecolare e genetica (espressione genica, trascrizione, traduzione, tecnologia del DNA ricombinante)
● Biologia cellulare (struttura e funzione della cellula procariotica ed eucariotica)
● Biochimica di base (enzimi, vie metaboliche, struttura delle proteine)
● Fondamenti di biotecnologia (OGM, strategie di clonaggio, PCR)
● Competenze quantitative elementari (matematica e statistica di base)

● Lezioni frontali. Lezioni frontali con slide e dimostrazioni pratiche di strumenti bioinformatici/di progettazione (clonaggio virtuale, ottimizzazione del codone).
● Journal Club. Lettura critica e discussione guidata di articoli scientifici primari ad alto impatto.
● Esercitazioni di progettazione. Esercitazioni in aula (progettazione di oligonucleotidi, analisi di restrizione, clonaggio virtuale, progettazione di circuiti).
● Presentazioni degli studenti. Brevi presentazioni di gruppo su temi d'avanguardia o pubblicazioni recenti.
● Seminari del modulo esteso. Sessioni seminariali (Unità 16–18) su biosicurezza, DIY Biology e brevettabilità/imprenditorialità, con facilitazione del docente.

Le studentesse e gli studenti con disabilità, con Disturbi Specifici dell'Apprendimento (DSA) o con Bisogni Educativi Speciali (BES) possono richiedere servizi e strumenti specifici a loro dedicati rivolgendosi allo Staff Sviluppo e Coordinamento Carriere e Servizi alle Studentesse e agli Studenti e consultando la pagina dedicata del sito di Ateneo. Una volta preso contatto con lo Staff di Ateneo, possono contattare il/la docente titolare dell'insegnamento per concordare le modalità di esame e gli aspetti didattici.
Frequenza: la frequenza alle lezioni frontali è obbligatoria per tutti i CdS (minimo 50%-66% delle ore, pari ad almeno 15 ore - curr B; 24 ore - curr C; 12 ore - curr D). Le studentesse e gli studenti che non raggiungono la soglia minima non sono ammessi all'esame nella sessione corrente.
Lavoratori/lavoratrici-studenti/studentesse e soggetti in situazioni particolari (caregiver ecc.) sono invitati/e a contattare il/la docente entro la prima settimana di lezione per concordare modalità alternative, nel rispetto del Regolamento di Ateneo.
Materiali accessibili: i PDF delle slide sono forniti in formato testuale (non scansionato); le videolezioni DAD sono corredate di sottotitoli o trascrizioni.

Valutazione dell'apprendimento / votiDiscussione, quiz e compiti a casa (continuous assessment) — 34%Proposta progettuale scritta — 33%Discussione del progetto in sede d'esame — 33%Discussione, quiz e compiti a casa Durante il semestre saranno assegnati quiz, discussioni e compiti a casa che concorreranno alla valutazione continua dello studente. Questa componente rappresenta il 34% del voto finale.Progetto Ogni studente sarà responsabile della stesura di un progetto di ricerca volto a indagare una nuova idea nel campo della biologia sintetica, di interesse scientifico o industriale. La proposta dovrà essere strutturata secondo il modello fornito dal docente. La valutazione della proposta scritta rappresenta il 33% del voto finale.Esame finale È previsto un esame finale, nel quale ciascuno studente discuterà il proprio progetto, da sostenersi in una delle sessioni ordinarie (febbraio, giugno-luglio, settembre). La discussione verterà sui contenuti del progetto e sul materiale del corso a esso collegato; gli argomenti sono concettualmente cumulativi, poiché la comprensione dei temi trattati nella prima parte del corso è necessaria per affrontare quelli successivi. Questa componente rappresenta il 33% del voto finale.

Il corso è articolato in 18 unità didattiche da 2 ore ciascuna (36 ore totali). Le Unità 1–15 (30 ore) sono comuni ai curriculum B e C; le Unità 16–18 (6 ore) sono esclusive del curriculum C.

UD_1: Introduzione alla Biologia Sintetica
La rivoluzione «Biology 4.0»: dalla lettura alla scrittura e modifica della vita. Traiettoria storica della Biologia Sintetica (SynBio) come disciplina; relazione con l'ingegneria genetica classica; panoramica del corso e delle principali applicazioni e cornici etiche che verranno esplorate.
UD_2: Tappe fondamentali della tecnologia del DNA ricombinante
Strumenti fondamentali della biologia molecolare: i batteri come organismi ospiti, i plasmidi, i fagi; scoperta e utilizzo degli enzimi di restrizione; le DNA polimerasi e le DNA ligasi; la reazione a catena della polimerasi (PCR); l'evoluzione delle tecnologie di sequenziamento del DNA.
UD_3: Parti biologiche
I mattoni costitutivi dei costrutti sintetici: geni, promotori, regolatori, terminatori, cornici di lettura aperte (ORF); principi di standardizzazione e caratterizzazione delle parti.
UD_4: Strumenti bioinformatici per la progettazione in SynBio
Progettazione di oligonucleotidi; analisi dei siti di restrizione; ottimizzazione del codone; clonaggio virtuale/in-silico; panoramica di software e piattaforme online a supporto del ciclo design-build.
UD_5: Tecniche e strategie di clonaggio
Strategie di clonaggio classiche e moderne; i metodi di clonaggio del DNA «senza cicatrice» (scar-less): Gibson assembly, Golden Gate cloning, Ligation-Independent Cloning (LIC).
UD_6: Strategie SynBio e il ciclo di progettazione
Gli approcci «bottom-up» e «top-down» alla Biologia Sintetica; il ciclo «Design-Build-Test-Learn» (DBTL); dai sistemi cell-free alla cellula artificiale.
UD_7: Clonaggio del DNA senza uno stampo
Sintesi chimica di oligonucleotidi e geni; strategie di assemblaggio del DNA per la costruzione senza stampo di geni, pathway e genomi.
UD_8: Riprogrammazione cellulare mediante DNA sintetico
Sintesi del genoma completo e riprogrammazione cellulare: JCVI-syn1.0, syn2.0 e syn3.0; l'E. coli «ricodificato»; il Minimal Genome Project; l'iniziativa Genome Project-Write (GP-write).
UD_9: Tecnologie di ingegneria del genoma
Strumenti per la modificazione mirata del genoma: trasposoni, ricombinasi, nucleasi a dito di zinco (ZFN), TALEN e il sistema CRISPR/Cas9.
UD_10: Circuiti sintetici e ingegneria metabolica
Principi di progettazione dei circuiti genici sintetici; logica e controllo a retroazione; strategie di ingegneria metabolica per la biosintesi di molecole target.
UD_11: Applicazioni in Biotecnologie Mediche I: Biosensori e terapie cellulari
Biosensori: batteri intestinali geneticamente modificati per la rilevazione in vivo del cancro; terapie geniche e cellulari: le cellule CAR-T come prodotto di Biologia Sintetica.
UD_12: Applicazioni in Biotecnologie Mediche II: Cell factories e farmaci
Cell factories ingegnerizzate per la produzione di proteine ricombinanti; applicazioni farmaceutiche: artemisinina e cannabinoidi semisintetici.
UD_13: Applicazioni in Biotecnologie Mediche III: Alimenti sostenibili e probiotici
Alimenti sostenibili ottenuti tramite SynBio: riso dorato (Golden Rice), carne coltivata in laboratorio; probiotici geneticamente modificati per scopi terapeutici e nutrizionali.
UD_14: Applicazioni in Biotecnologie Mediche IV: Biomateriali e diagnostica
Biomateriali e ingegneria tissutale; diagnostica, terapie e vaccini: le lezioni apprese dalla pandemia di SARS-CoV-2.
UD_15: Questioni etiche in Biologia Sintetica
Strategie di biosicurezza e biocontenimento; il Dual Use Research of Concern (DURC) e la sua governance; il movimento «Do-It-Yourself» (DIY) Biology e le sue implicazioni sociali.
UD_16: Biosicurezza, biocontenimento e ricerca a duplice uso (Modulo esteso)
Analisi approfondita delle strategie di biocontenimento per organismi ingegnerizzati; quadri normativi e di governance per il Dual Use Research of Concern (DURC); linee guida internazionali di biosicurezza.
UD_17 :Il movimento «Do-It-Yourself» (DIY) Biology (Modulo esteso)
Origini e filosofia del movimento DIY Bio/biohacking; laboratori comunitari e citizen science; opportunità e rischi della biotecnologia democratizzata; casi di studio e dibattiti attuali.
UD_18 :Brevettabilità e imprenditorialità in Biologia Sintetica (Modulo esteso)
Proprietà intellettuale e brevettabilità di parti, dispositivi e organismi di biologia sintetica; biologia open-source vs. innovazione proprietaria; imprenditorialità, start-up e trasferimento tecnologico nel settore SynBio.

Risultati condivisi (Unità 1–15)●      Descrivere le tappe storiche della tecnologia del DNA ricombinante e collocare la Biologia Sintetica nell'ambito della rivoluzione «Biology 4.0».●      Identificare e caratterizzare le parti biologiche standardizzate (geni, promotori, regolatori, terminatori, ORF) utilizzate nei costrutti sintetici.●      Utilizzare strumenti bioinformatici per la progettazione di oligonucleotidi, l'analisi di restrizione, l'ottimizzazione del codone e il clonaggio virtuale.●      Applicare strategie di clonaggio «scar-less» (Gibson assembly, Golden Gate, LIC) e valutare le strategie bottom-up e top-down nell'ambito del ciclo design–build–test–learn.●      Spiegare la sintesi e l'assemblaggio del DNA senza stampo, e descrivere i progetti di sintesi del genoma completo (JCVI-syn1.0–3.0, E. coli ricodificato, minimal genome project, GP-write).●      Confrontare le tecnologie di ingegneria del genoma, inclusi trasposoni, ricombinasi, ZFN, TALEN e CRISPR/Cas9.●      Progettare e analizzare circuiti sintetici e strategie di ingegneria metabolica per la biosintesi di molecole di rilevanza biomedica.●      Valutare le applicazioni biomediche della Biologia Sintetica, inclusi biosensori, terapie geniche e cellulari, cell factories, farmaci, alimenti sostenibili, probiotici ingegnerizzati, biomateriali e diagnostica/vaccini legati a SARS-CoV-2.Risultati aggiuntivi (Unità 16–18, solo curr. C)●      Valutare le strategie di biosicurezza e biocontenimento e la governance del Dual Use Research of Concern (DURC).●      Discutere criticamente il movimento «Do-It-Yourself» (DIY) Biology e le sue implicazioni sociali e normative.●      Analizzare la brevettabilità delle invenzioni di Biologia Sintetica e i percorsi imprenditoriali per la traduzione della ricerca SynBio in prodotti e start-up.