Physics - Fisica

ROBERTO DI LEONARDO
ROBERTO DI LEONARDO

OBIETTIVI GENERALI

La cellula batterica occupa nella fisica biologica lo stesso posto speciale che l'atomo di idrogeno occupa nella fisica della materia condensata, e per le stesse ragioni. I batteri sono i primi "atomi" di vita ad apparire nell'Universo conosciuto e tutto ciò che è fondamentale nella vita si ritrova nei batteri, nelle sue forme più semplici. Obiettivo del corso è quello indagare alcuni aspetti fondamentali dei sistemi viventi in un percorso che parte dai meccanismi interni con cui la cellula batterica "pensa" e agisce, passando per come la singola cellula si muove nell'ambiente fisico esterno e concludendosi con lo studio dei comportamenti collettivi di colonie batteriche. Tutti gli argomenti trattati nel corso prendono spunto dalla letteratura recente discutendone sia gli aspetti sperimentali che quelli di modellizzazione teorica.

OBIETTIVI SPECIFICI

A - Conoscenza e capacità di comprensione
OF 1) Conoscere e comprendere i fondamenti della regolazione genica nei procarioti e la dinamica delle reti trascrizionali.
OF 2) Conoscere e comprendere i fondamenti della dinamica dei fluidi a bassi Reynolds.
OF 3) Conoscere e comprendere le principali manifestazioni della natura fuori dall'equilibrio della materia attiva.

B – Capacità applicative
OF 4) Essere in grado di discutere il comportamento dinamico di un network trascrizionale.
OF 5) Essere in grado di risolvere alcuni problemi elementari di idrodinamica a bassi Reynolds.
OF 6) Essere in grado di modelizzare la dinamica stocastica di sistemi di particelle attive.
OF 7) Essere in grado di descrivere con modelli continui la crescita di colonie batteriche.

C - Autonomia di giudizio
OF 8) Sfruttare le conoscenze acquisite per formulare modelli in grado di descrivere situazioni non trattate nel corso

D – Abilità nella comunicazione
OF 9) Saper comunicare per iscritto un concetto avanzato
OF 10) Saper presentare una linea di ricerca attuale nell’ambito della biofisica

E - Capacità di apprendere
OF 11) Avere la capacità di consultare autonomamente testi e articoli scientifici al fine di approfondire in modo autonomo alcuni argomenti introdotti durante il corso.

È indispensabile che si abbiano le conoscenze previste per l'acquisizione di una laurea triennale in Fisica o in Astronomia e Astrofisica. Si richiedono competenze specifiche in fisica classica, meccanica statistica, ottica, metodi matematici e computazionali. E’ utile avere conoscenze di base di biologia molecolare.

Part 1 - What's inside: genetic parts and circuits
From genes to proteins
Modes of gene regulation
Protein dynamics
Feed forward loops and temporal programs
Biological oscillators
DNA cloning
Stochastic gene expression

Part 2 - What's outside: cell motility
Introduction to the physics of microswimmers
Introduction to vector calculus
Microhydrodynamics
Flagellar propulsion
Watching microswimmers
Manipulation of microswimmers

Part 3: Multicellular dynamics
Non equilibrium physics of active particles
Non interacting active particles
Active matter in nonhomogeneous environments
Spatio-temporal patterns in colony growth

R. Di Leonardo, Biophysics lecture notes
Alberts, et al. Essential Cell Biology. 3rd Ed., New York: Garland Science (2004).
Alon, An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits, CRC press (2019).

Testi e materiale di approfondimento saranno indicati in corrispondenza degli argomenti trattati nel corso sulla pagina Classroom

La modalità di svolgimento del corso prevede lezioni frontali alla lavagna integrate da proiezione di slides.

.La frequenza alle lezioni non è obbligatoria ma è fortemente consigliata.

La valutazione si basa su una prova orale di circa 45 minuti. L'esame orale consiste in un colloquio sui temi illustrati nel corso. Per superare l'esame lo studente deve essere in grado di presentare un argomento o ripetere un calcolo discusso durante il corso e di applicare i metodi appresi ad esempi e situazioni simili a quelle già discusse.
Nella valutazione si terrà conto di:
- correttezza dei concetti esposti;
- chiarezza e rigore espositivo;
- capacità di sviluppo analitico della teoria.