Attività Didattica
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Materiali didattici
Corsi attribuiti
I.
DENOMINAZIONE DELL’INSEGNAMENTO: Bioinformatica e Data Science
CORSO DI STUDIO: Laurea Magistrale in Biotecnologie per la Qualità e la Sicurezza dell'Alimentazione (LM7)
Programma didattico
Gli obiettivi formativi principali del programma di insegnamento, di seguito riportato, sono i seguenti:
- Acquisizione delle fondamentali competenze per l’utilizzo di database, algoritmi e strumenti per la ricerca bioinformatica applicata a dati genetici e genomici.
- Apprendimento delle basi strutturali e funzionali dei geni e dei genomi di procarioti ed eucarioti, propedeutico all’analisi bioinformatica degli stessi.
- Apprendimento dei principali strumenti bioinformatici per studi di genomica strutturale, funzionale, comparata e metagenomica.
1) Concetti di base del metodo bioinformatico e introduzione alla biologia - omica
- Elementi di bioinformatica: banche dati, algoritmi e softwares per la gestione e l'analisi dei dati biomolecolari.
- I dati: il genoma e dei suoi prodotti. Concetti e applicazioni della genomica strutturale, funzionale e comparata. Trascrittomica, Proteomica, Metabolomica.
2) Analisi del genoma procariotico
- Struttura, dimensione, plasticità, composizione in basi e contenuto funzionale dei genomi procariotici.
- Organizzazione dei geni procariotici e operoni.
- Elementi mobili e isole di patogenicità.
- Caratteristiche del codice genetico nei procarioti.
- Regolazione dell’espressione genica a livello post-trascrizionale: small non-coding RNA.
3) Identificazione tassonomica sulla base di marcatori genomici
- Metodiche molecolari e bioinformatiche per lo studio della biodiversità.
- DNA barcoding: marcatori genomici di specie, barcoding gap, banche dati
di riferimento per l'identificazione molecolare delle specie.
- Protocolli biomolecolari e bioinformatici nell’analisi di dati di DNA barcoding.
4) Protocolli molecolari e bioinformatici dell'analisi di dati metagenomici
- Analisi del microbioma: estrazione, sequenziamento, assemblaggio e “binning” del DNA metagenomico, annotazione funzionale, analisi comparata e statistica multi-campione e integrazione/condivisione di dati.
- Strumenti molecolari e bioinformatici per analisi di DNA metabarcoding: produzione del dato attraverso le piattaforme di Next Generation Sequencing (NGS), pipeline bioinformatiche e banche dati di riferimento per la caratterizzazione tassonomica del microbioma. Esempio: la pipeline BioMaS.
- Strumenti molecolari e bioinformatici per analisi metagenomica shotgun: produzione del dato attraverso le piattaforme di Next Generation Sequencing (NGS), pipeline bioinformatiche e banche dati di riferimento per la caratterizzazione tassonomica e funzionale del microbioma. Approcci di studio del metagenoma umano.
- Esempi di analisi bioinformatica di reali dataset metagenomici: utilizzo della risorsa di dati metagenomici EBI – Mgnify; esempio di applicazione del sistema bioinformatico Qiime per l'analisi tassonomica, statistica e comparativa del microbioma in relazione alla dieta.
5) Analisi del genoma eucariotico
- Caratteristiche strutturali e funzionali del genoma eucariotico: dimensioni, organizzazione in cromosomi, contenuto in DNA, complessità, sintenia, eucromatina ed eterocromatina, densità genica.
- caratteristiche composizionali e regolazione dell'espressione genica: composizione in basi, modello delle isocore, regolazione epigenetica dell'espressione genica, isole CpG e strumenti bioinformatici per la loro individuazione. Definizione moderna di gene. Ricerca bioinformatica di geni in nuove sequenze genomiche.
- Composizione informazionale del genoma eucariotico con particolare riferimento al genoma umano: panoramica sulla frazione di sequenze codificanti e non codificanti, uniche e ripetute. Organizzazione delle famiglie geniche. Geni monocistronici e policistronici. Dati di NGS e loro analisi.
- Struttura e dimensioni dei singoli geni eucariotici e delle loro porzioni funzionali; maturazione degli mRNA; meccanismo molecolare del trans- splicing ed esempi; splicing alternativo e iso-ortologia dei trascritti; analisi degli RNA non codificanti: rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA, microRNA, lncRNA, RNA antisenso, RNA circolari.
- Famiglie geniche e pseudogeni: struttura, funzione, evoluzione e analisi bioinformatica delle famiglie geniche e degli pseudogeni e loro ruolo nella plasticità del genoma eucariotico.
- Elementi non codificanti ripetuti in tandem ed interspersi: duplicazioni segmentali, microsatelliti, minisatelliti, retrotrasposoni, trasposoni a DNA. Gestione degli elementi ripetuti nell’analisi bioinformatica dei dati genomici.
6) Analisi del genoma mitocondriale
- Dimensioni, forma e contenuto informazionale del mtDNA.
- Composizione in basi, codice genetico, editing dei trascritti.
- Cenni al genoma mitocondriale di piante e metazoi.
- Analisi bioinformatica ed evolutiva del mtDNA, applicazione nella
genetica di popolazione e nella genetica clinica.
7) Sequenziamento genomico e analisi bioinformatica dei Big Data
- Sequenziamento whole genome shotgun, assemblaggio e analisi bioinformatica.
- Parametri per valutare la qualità del sequenziamento.
- Comuni piattaforme di Next Generation Sequencing.
8) Esercitazioni di Bioinformatica
- Ricerca delle informazioni biologiche: interrogazione di banche dati bibliografiche
- Banche dati primarie e specializzate: struttura, contenuto ed interrogazione testuale.
- Ricerca di similarità in banca dati.
- Browsers genomici: esempi, interrogazione e ricerca di similarità
- Metodi bioinformatici per l’analisi del microbioma.
II.
DENOMINAZIONE DELL’INSEGNAMENTO: Modulo di “Metagenomica, metrascrittomica, metaproteomica” dell’insegnamento “Approcci metaomici nelle filiere alimentari”
CORSO DI STUDIO: Laurea Magistrale in Biotecnologie per la Qualità e la Sicurezza dell'Alimentazione (LM7)
Programma didattico
Il corso è volto ad illustrare le basi teoriche e i principali strumenti di analisi molecolare e bioinformatica utili allo studio del metagenoma e dei suoi prodotti per la caratterizzazione tassonomico/funzionale di intere comunità microbiche.
1) Basi teoriche dell’approccio metagenomico:
- Il microbioma.
- Oggetto di studio, obiettivi e iter sperimentale del protocollo “DNAmetabarcoding”.
- Oggetto di studio, obiettivi e iter sperimentale del protocollo
“Metagenomica shotgun”.
- Panoramica delle più importanti piattaforme di sequenziamento
utilizzate nell’analisi metagenomica.
- Applicazioni dell’analisi metagenomica in campo ambientale,
alimentare, clinico e biotecnologico.
2) Basi teoriche dell’approccio metatrascrittomico:
- Composizione del trascrittoma, RNA codificanti e non codificanti.
- Oggetto di studio, obiettivi e iter sperimentale della metatrascrittomica.
- Alcuni esempi di applicazione del metodo metatrascrittomico
3) Basi teoriche dell’approccio metaproteomico
- Composizione e variabilit®§ del proteoma
- Oggetto di studio, obiettivi e tecniche per lo studio del metaproteoma.
4) Esercitazioni pratiche
1) Impiego di risorse di dati dedicate allo studio del microbioma.
2) Introduzione agli ambienti di analisi bioinformatica. L’esempio di R.
3) Applicazione di pipeline bioinformatiche per l’analisi della complessità tassonomica del microbioma attraverso approcci di DNA metabarcoding.
4) Esempi di workflow bioinformatici e pipeline per l’analisi dei trascritti prodotti da una comunità microbica.
5) Esempi di workflow bioinformatici e pipeline per la caratterizzazione del corredo proteico di una comunità microbica.