Laboratorio di Tecniche Molecolari per la Conservazione della Natura

1. Introduzione alla biologia molecolare applicata alla conservazione della natura
- Principali minacce alla biodiversità: perdita e frammentazione degli habitat, cambiamenti climatici, specie aliene invasive, sovrasfruttamento delle risorse ed estinzioni.
- Ruolo delle informazioni genetiche e molecolari nello studio e nella conservazione della biodiversità.
- Principi di evoluzione molecolare: mutazioni, sostituzioni nucleotidiche, variabilità genetica e divergenza tra sequenze.
- Applicazioni della biologia molecolare alla conservazione: identificazione delle specie, monitoraggio della biodiversità, caratterizzazione della variabilità genetica e valutazione dello stato delle popolazioni.

2. Principali approcci molecolari per lo studio e la conservazione della biodiversità
- DNA barcoding: principi, marcatori molecolari, identificazione delle specie e applicazioni.
- DNA metabarcoding: principi metodologici e applicazioni al monitoraggio della biodiversità, anche attraverso campioni ambientali.
- Genetica di popolazione: variabilità genetica, struttura delle popolazioni, flusso genico e connettività.
- Genomica applicata alla conservazione: caratterizzazione della diversità genomica, identificazione di unità evolutivamente significative e valutazione del potenziale adattativo delle popolazioni.
- Trascrittomica: principi generali e applicazioni allo studio delle risposte degli organismi ai cambiamenti ambientali e agli stress.

3. Principali tecniche di biologia molecolare
- Estrazione e purificazione del DNA: principi, metodologie e principali fattori che influenzano la qualità e la quantità del DNA estratto.
- Polymerase Chain Reaction (PCR): principi della reazione, componenti, fasi del processo e principali applicazioni.
- Elettroforesi su gel di agarosio: principi, preparazione del gel, separazione e visualizzazione dei frammenti di DNA.
- Controllo della qualità dei campioni e dei dati molecolari.

4. Attività pratiche di laboratorio
- Estrazione del DNA da campioni biologici forniti dal docente.
- Preparazione delle reazioni di PCR e amplificazione di uno o più marcatori genici.
- Preparazione e realizzazione dell'elettroforesi su gel di agarosio.
- Visualizzazione e interpretazione dei prodotti di amplificazione.
- Discussione dei risultati ottenuti e delle principali criticità delle procedure sperimentali.

5. Analisi bioinformatica e applicazioni dei dati molecolari
- Introduzione ai principali strumenti informatici per l'analisi delle sequenze di DNA.
- Controllo della qualità, pulizia e assemblaggio delle sequenze.
- Allineamento multiplo delle sequenze e identificazione di eventuali differenze nucleotidiche.
- Esercizi di DNA barcoding: confronto delle sequenze, identificazione dei campioni e interpretazione dei risultati.
- Esercizi di ricostruzione filogenetica: costruzione e interpretazione di alberi filogenetici.
- Esercizi di filogeografia: interpretazione della distribuzione geografica della variabilità genetica e delle relazioni tra popolazioni.
- Discussione delle potenzialità e dei limiti delle diverse metodologie molecolari nelle applicazioni conservazionistiche.

Per affrontare adeguatamente gli argomenti del corso, è consigliabile (ma non indispensabile) possedere conoscenze di base di:
- Biologia generale e cellulare, con particolare riferimento alla struttura e alla funzione degli acidi nucleici.
- Genetica, inclusi i concetti di gene, allele, variabilità genetica, mutazione ed ereditarietà.
- Biologia evoluzionistica, con particolare riferimento ai processi di evoluzione molecolare, selezione naturale, deriva genetica e speciazione.
- Zoologia, botanica ed ecologia, con particolare riferimento alla diversità biologica, alle popolazioni e alle principali minacce alla biodiversità.
Non sono richieste competenze pregresse nell'utilizzo di specifici software di analisi molecolare o bioinformatica, che saranno introdotti e utilizzati durante le attività pratiche

Allendorf et al., 2022. Conservation and the genomics of populations. Oxford university press.

Il docente fornirà materiale di riferimento aggiuntivo.

Allendorf et al., 2022. Conservation and the genomics of populations. Oxford university press.

L'insegnamento prevede lezioni teoriche e attività pratiche di laboratorio e di analisi bioinformatica, finalizzate all'acquisizione di conoscenze e competenze nell'applicazione delle tecniche molecolari allo studio e alla conservazione della biodiversità.

Le lezioni teoriche saranno supportate da presentazioni multimediali, esempi applicativi e casi di studio tratti dalla letteratura scientifica. Saranno introdotti i principali fondamenti della biologia molecolare e dell'evoluzione molecolare, illustrando le potenzialità delle metodologie genetiche e genomiche nelle attività di ricerca e conservazione.

Le attività pratiche prevedono l'esecuzione guidata di alcune delle principali procedure di laboratorio, tra cui l'estrazione del DNA da campioni biologici, l'amplificazione di marcatori molecolari mediante PCR e la verifica dei prodotti di amplificazione attraverso elettroforesi su gel. Le attività saranno organizzate in modo da consentire agli studenti di familiarizzare con le diverse fasi del procedimento sperimentale, comprendendone i principi e le criticità.

Una parte del corso sarà dedicata all'utilizzo di software e strumenti bioinformatici per l'elaborazione e l'analisi delle sequenze di DNA. Attraverso esercitazioni guidate, gli studenti potranno svolgere semplici analisi di DNA barcoding, ricostruzione filogenetica, filogeografia e genetica di popolazione, utilizzando dati molecolari ottenuti durante le attività pratiche e/o dataset forniti dalla docente.

L'insegnamento adotterà pertanto un approccio teorico-pratico, volto a integrare le conoscenze di base con l'applicazione diretta delle tecniche molecolari e degli strumenti di analisi dei dati, evidenziandone il contributo allo studio, al monitoraggio e alla conservazione della biodiversità.

Il corso si svolgerà in presenza e la frequenza è fortemente consigliata

La valutazione dell'apprendimento avverrà attraverso una prova pratica individuale, seguita da un colloquio orale. Durante la prova pratica, lo studente dovrà svolgere esercizi analoghi a quelli affrontati nel corso delle esercitazioni.

La prova pratica sarà seguita da un colloquio orale durante il quale lo studente dovrà illustrare e discutere le procedure utilizzate, interpretare i risultati ottenuti e motivare le proprie scelte metodologiche, dimostrando di aver compreso i principi teorici alla base delle tecniche applicate e le loro possibili applicazioni allo studio e alla conservazione della biodiversità.

La valutazione terrà conto in particolare di:

- la capacità di svolgere correttamente gli esercizi pratici e di applicare le procedure e gli strumenti di analisi utilizzati durante il corso;
- la comprensione dei principi teorici alla base delle tecniche di biologia molecolare e degli approcci bioinformatici;
- la capacità di elaborare, interpretare e discutere criticamente i risultati delle analisi molecolari;
- la capacità di individuare eventuali criticità e limiti delle metodologie applicate;
- la capacità di collegare le competenze tecniche acquisite alle loro applicazioni nello studio, nel monitoraggio e nella conservazione della biodiversità;
- la chiarezza espositiva, la proprietà del linguaggio scientifico e la capacità di argomentazione.

L'esame mira pertanto a verificare non soltanto l'acquisizione delle conoscenze teoriche, ma soprattutto la capacità di applicarle in modo consapevole e autonomo alla risoluzione di semplici problemi di ricerca in ambito molecolare e conservazionistico.