1. FONDAMENTI DI INGEGNERIA CELLULARE E BIOMOLECOLARE Caratteristiche e proprietà degli organismi viventi. Composizione chimica elementare. La teoria cellulare. Aspetti fenomenologici dell’accrescimento cellulare. Mezzi di crescita. Sistemi di crescita di interesse biomedico. Tecnologia del DNA ricombinante. Virus: struttura e meccanismi di replicazione virale. Amminoacidi: struttura, proprietà chimico-fisiche e classificazione. Comportamento anfotero ed effetto del pH. Elettroforesi. Proteine: caratteristiche generali e funzioni biologiche. Formazione e proprietà del legame peptidico. Struttura primaria. Strutture secondarie e super-secondarie. Struttura terziaria e stabilità delle proteine. Denaturazione reversibile e irreversibile. Stabilizzazione intrinseca e mediante additivi. Enzimi: classificazione, proprietà e attività biologica. Aspetti molecolari della catalisi enzimatica. Siti attivi e siti allosterici. 2. INGEGNERIA DEI PROCESSI ENZIMATICI Elementi di cinetica chimica. Reazioni reversibili e irreversibili. Reazioni elementari. Reazioni termodinamicamente accoppiate. Meccanismo di reazione ed espressioni cinetiche. Velocità di reazione, ordini di reazione e costanti cinetiche. Stima dei parametri cinetici. Cinetica enzimatica: aspetti fenomenologici ed espressioni cinetiche. Equazione di Michaelis-Menten. Effetto del pH e della temperatura sulla cinetica enzimatica. Denaturazione termica reversibile e irreversibile. Inibizione competitiva e non competitiva. Espressioni cinetiche e stima dei parametri cinetici. Enzimi immobilizzati e microincapsulati. Effetto dell’immobilizzazione sul comportamento cinetico. Modificazioni conformazionali, impedimento sterico, effetti di partizione e limitazioni diffusionali. Liposomi, micelle e micelle inverse. Trasporto e veicolazione di principi attivi in liposomi. Liposomi come microreattori enzimatici. Analisi del comportamento cinetico di microcapsule contenenti enzimi. Trasporto di materia all’esterno ed all’interno della microcapsula. Trasporto di materia attraverso la membrana. Permeabilità, diffusività effettiva e coefficiente di partizione. Cinetica enzimatica intrinseca ed apparente. Tempi caratteristici di permeazione, reazione, diffusione interna e diffusione esterna. Bioreattori con enzimi liberi e microincapsulati. 3. INGEGNERIA DEI PROCESSI DI CRESCITA CELLULARE Aspetti fenomenologici dell’accrescimento cellulare. Crescita sospesa e adesa. Mezzi di crescita: caratteristiche e criteri di formulazione. Nutrienti e substrati limitanti. Definizione e valutazione della velocità di crescita. Equazione di Monod. Fattori di resa e di mantenimento. Metabolismo endogeno. Effetto del pH, della temperatura e della presenza di effettori sull’accrescimento cellulare. Inibizione da substrato e da prodotto. Metaboliti primari e secondari, Consumo di substrato associato alla crescita cellulare, alla produzione di energia ed alla produzione di metaboliti secondari. Bioreattori per la crescita cellulare: sistemi continui, discontinui e semicontinui. Equazioni di bilancio di materia per la biomassa, per il substrato e per i metaboliti secondari. Crescita esponenziale. Confronto tra i diversi tipi di reattori e criteri di scelta. Sistemi e dispositivi di areazione. Produzione di energia in condizioni aerobiche e anaerobiche. Processi di respirazione cellulare. Fermentazione lattica. Consumo e richiesta di ossigeno. Espressioni cinetiche per la velocità di consumo dell’ossigeno. Trasferimento dell’ossigeno nei bioreattori con cellule isolate o aggregati cellulari. Agitazione dei bioreattori: trasferimento di potenza ed effetto del mescolamento. Generazione di vortici. Dimensione critica dei vortici in condizioni di turbolenza isotropa. Effetto dei vortici sulle cellule sospese e adese. 4. SEMINARI MONOGRAFICI  Produzione di nanoparticelle metalliche per applicazioni biomediche  Analisi dimensionale: applicazioni alla sperimentazione ed allo sviluppo di correlazioni empiriche tra parametri adimensionali  Processi di separazione con membrane 5. ESERCITAZIONI DI LABORATORIO  Caratterizzazione spettrofotometrica dell’albumina e del lisozima  Estrazione del licopene da bucce di pomodoro  Recupero dei polifenoli dal caffè e valutazione dell’attività antiossidante

Testi consigliati  Parte 1: Stryer L. Biochimica - Zanichelli, Bologna (1996)  Parti 1 e 2: Ratledge C., Kristiansen B. Biotecnologie di base - Zanichelli, Bologna (2004)  Parti 2 e 3: Bailey J.E., Ollis D.F. Biochemical Engineering Fundamentals - Mc-Graw Hill, NY (1986)  Dispense ed altro materiale distribuiti in aula o resi disponibile agli studenti

1. ELEMENTI DI BIOLOGIA CELLULARE E DI BIOCHIMICA Caratteristiche e proprietà degli organismi viventi. Cellule eucariotiche e procariotiche. Virus: struttura e meccanismi di replicazione virale. Amminoacidi: struttura, proprietà chimico-fisiche e classificazione. Comportamento anfotero ed effetto del pH. Proteine: caratteristiche generali e funzioni biologiche. Polimerizzazione di amminoacidi: formazione e proprietà del legame peptidico. Struttura primaria e terziaria di una proteina. Strutture secondarie e supersecondarie. Denaturazione e degradazione delle proteine. Enzimi: classificazione, proprietà e attività biologica. Aspetti molecolari della catalisi enzimatica. Siti attivi e siti allosterici. 2. TRASPORTO DI MATERIA NEI SISTEMI REAGENTI E NON REAGENTI Diffusione e convezione in mezzi omogenei. Legge di Fick. Coefficienti di trasporto di materia. Parametri e correlazioni adimensionali per la valutazione dei coefficienti di trasporto. Trasferimento tra le fasi. Definizione e valutazione dei coefficienti di trasferimento. Trasporto di materia nei solidi porosi. Diffusività effettiva. Trasporto attraverso membrane. Permeabilità. Cinetica chimica. Velocità di reazione. Meccanismi di reazione ed espressioni cinetiche. Interazione tra cinetica chimica e fenomeni di trasporto. Cinetica apparente. 3. CINETICA ENZIMATICA E INGEGNERIA DEI PROCESSI ENZIMATICI Cinetica enzimatica: aspetti fenomenologici ed espressioni cinetiche. Equazione di Michaelis-Menten. Effetto del pH e della temperatura. Denaturazione termica reversibile e irreversibile. Inibizione competitiva e non competitiva. Stima dei parametri cinetici. Enzimi immobilizzati. Tecniche di immobilizzazione. Effetto dell’immobilizzazione sul comportamento enzimatico: modificazioni conformazionali, effetti di partizione e limitazioni diffusionali. Parametri cinetici intrinseci e apparenti. Analisi del comportamento cinetico di particelle solide porose e di microcapsule contenenti enzimi. Bioreattori con enzimi liberi o immobilizzati. 4. ACCRESCIMENTO CELLULARE E INGEGNERIA DEI PROCESSI CELLULARI Accrescimento cellulare: aspetti fenomenologici. Mezzi di crescita, nutrienti e substrati. Velocità di crescita cellulare. Definizione e valutazione della velocità di crescita. Fattori di resa e di mantenimento. Metabolismo endogeno. Effetto del pH, della temperatura e della presenza di effettori sull’accrescimento cellulare. Consumo di substrato associato alla crescita cellulare ed alla produzione di energia. Espressioni cinetiche per la velocità di crescita e di consumo dei substrati. Equazione di Monod. Bioreattori per la crescita cellulare: sistemi continui, discontinui e semicontinui. Consumo e richiesta di ossigeno. Processi di respirazione cellulare: aspetti termodinamici e cinetici. Trasferimento dell’ossigeno nei bioreattori contenenti cellule isolate o aggregati cellulari. Coefficiente di trasferimento dell’ossigeno: determinazione sperimentale e stima mediante correlazioni empiriche. Trasferimento di potenza e mescolamento dei fluidi nei bioreattori agitati. Struttura e caratteristiche dei vortici. Turbolenza isotropa. Effetto dei vortici sulle cellule e sugli aggregati cellulari. 5. TRASPORTO E SOMMINISTRAZIONE DI FARMACI Vie e modalità di somministrazione. Somministrazione enterale, parenterale e transcutanea. Trasporto di un farmaco in forma libera o legata. Modelli per la valutazione del trasporto di materia e dell’assorbimento di un farmaco. Distribuzione di un farmaco nel plasma, nei fluidi interstiziali e nelle cellule. Volumi di distribuzione apparenti ed effettivi. Metabolismo ed eliminazione dei farmaci. Clearance renale e plasmatica. Calcolo dell’emivita. Modelli farmacocinetici a singolo compartimento e a compartimenti multipli. Esempi applicativi. Trasporto e somministrazione di farmaci per il trattamento di tumori solidi. Elementi di fisiopatologia dei tumori: fasi di formazione e sviluppo, vascolarizzazione del tessuto tumorale e drenaggio linfatico. Resistenze al trasporto di un farmaco, degradazione e accumulo. Sistemi per la somministrazione e la veicolazione di farmaci antitumorali. Meccanismi di targeting attivo e passivo. Sistemi a rilascio controllato.

Stryer L. Biochimica Zanichelli, Bologna (1996) Bailey J.E., Ollis D.F. Biochemical Engineering Fundamentals Mc-Graw Hill, NY (1986) Ratledge C., Kristiansen B. Biotecnologie di base Zanichelli, Bologna (2004) Fournier R.L., Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering CRC Press, Boca Raton (2017)