NFYB16009U  Introduktion til bio- og medicinsk fysik

Årgang 2018/2019
Engelsk titel

Introduction to Bio- and Medical Physics

Uddannelse

Bacheloruddannelsen i de fysiske fag

Kursusindhold

Formålet med “Introduktion til Bio- og Medicinsk fysik” er at give en grundlagsskabende indføring i et bredt spektrum af moderne biofysik og medicinsk fysik, som er et multidisciplinært videnskabeligt område, hvor en række teoretiske og eksperimentelle metoder fra fysik anvendes til at forstå og undersøge biologiske systemer og løse medicinske problemer. Kurset starter fra de grundlæggende biologiske byggesten, herunder proteiner, DNA/RNA og membraner og diskuterer deres struktur og vekselvirkninger, både på molekylært niveau og den rolle de spiller i store strukturer, som fx i cellens opbygning, organismers bevægelse og nervesignaliering.  De grundlæggende fysiske mekanismer for vekselvirkning og transport, som biologiske organismer benytter sig af bliver beskrevet og moderne eksperimentelle teknikker til at opnå strukturel og termodynamisk biofysisk information på nanoskala vil blive introduceret. Som en del af kurset vil centrale emner fra medicinsk fysik blive introduceret.

NBI’s efterfølgende specialiserede kurser i bio- og medicinsk fysik vil bygge på det faglige fundament, som etableres i dette kursus. Kurset er således beregnet både til de studerende, som ønsker at specialisere sig inden for emnet, men også til dem, som er nysgerrige efter at vide, hvad moderne biofysik er. 

Målbeskrivelser

Færdigheder

Gennem kurset vil den studerende:

  • Få viden om de grundlæggende biologiske byggesten og deres opbygning, specielt Protein, DNA/RNA og lipid-membraner. Herunder få en forståelse af både elektrostatiske og hydrofobe/hydrofile vekselvirkninger og herunder den rolle vand spiller i biofysiske systemer.

  • Forstå og kunne beskrive cellens opbygning og de centrale organeller.

  • Få kendskab til reaktions kinetik. Herunder definition af Gibbs fri energi, enthalpi, indre energi samt andre energi former af interesse for biologiske systemer. Få indføring i grundlæggende termodynamik og statistisk mekanik af relevans for biologiske systemer. Specielt læres at udlede Hill-funktionen, ligevægtskonstanten, Michaelis Menten konstanten samt at forklare pH og pK for opløsninger.

  • Kunne udlede og anvende de mest essentielle modeller og ligninger vedrørende diffusion. Herunder Gaussian Random Walks og Ficks 1. og 2. lov.Forstå og kunne beskrive opbygning og funktion af de mest almindelige biopolymerer, herunder proteiner og DNA/RNA. Den studerende vil kende polymerernes byggestene og virkemåde samt kunne udføre en fysisk beskrivelse af polymererne, herunder kunne beskrive karakteristika ved de foldede såvel som de udfoldede tilstande.

  • Vide hvad biologiske membraner består af og hvad de typiske membran formationer er i levende organismer. Den studerende skal kunne forstå og anvende termodynamiske begreber som kemisk potentiale, Gibbs fri energi og entropi i forbindelse med membraner og forklare selvorganisering af lipider til større strukturer. Den studerende skal desuden kunne beskrive de fysiske egenskaber for vesikler og tuber samt udlede relationer mellem membran spænding og krumning for tuber og vesikler.

  • Have basalt kendskab til biologisk energi og bevægelse. Herunder kende til energiforbrænding i organismer, respiration, fotosyntese, og ATP syntese. Vide hvordan forskellige organismer bevæger sig. F.eks. bakterie bevægelser, molekylærer motorer (både rotation og translation), og muskelsammentrækninger. Specielt skal den studerende kunne beskrive en molekylær motors bevægelse med diffusionsligninger ved at udlede the One State Model.

  • Forstå hvorledes membraner kan elektrisk eksiteres, udlede og nedskrive de mest væsentlige formler for mobilitet af ioner over membraner og membran potentialer. Herunder Nernst ligning. Få kendskab til nerve impuls udbredelse, hvilket indebærer at udlede matematiske modeller, specielt kabelligningen, til at beskrive impulsudbredelsen.

  • Få kendskab til essentielle eksperimentelle metoder i molekylær biofysik med særligt fokus på at forstå de fysiske principper for metoderne. Oversigten vil inkludere metoder til strukturelle undersøgelser såsom røntgen og neutron spredning, Mikroskopi-teknikker, specielt atomic force og fluorescens mikroskopi. Endvidere vil oversigten inkludere optisk pincet til mikromekanisk manipulation og undersøgelser samt kalorimetri (ITC og DSC) til termodynamiske undersøgelser. Som en del af oversigten vil de principielle forskelle mellem ensemble og enkelt molekyle baserede metoder blive diskuteret. 

Få et grundlæggende kendskab til medicinsk biofysik. Oversigten vil inkludere: Brug af isotoper/radioaktive tracere som sporstof i biomedicinsk øjemed og herunder effekt af ioniserende stråling på biologisk væv. Medicinsk billeddannelse, herunder principper for MR, CT og PET-scanning.

 

Viden

Efter en kort introduktion til emnets oprindelse, vil kurset bevæge sig opad i kompleksitetsniveau, startende fra biologiske molekyler, strukturer, systemer og ultimativt til hele levende organismer. Herunder vil kurset introducere vigtige begreber fra biofysikken såsom biopolymerer, biomembraner, biologisk energi og nerve signallering samt introducere de mest gængse eksperimentelle teknikker i eksperimentel biofysik.  Med afsæt i dette vil området medicinsk fysik blive introduceret. Således vil kurset give det nødvendige fundament for de mere specialiserede kurser indenfor biofysik og medicinsk fysik. Kurset er i høj grad forskningsbaseret og giver de studerende viden om moderne forskningsmetoder, analyser og resultater og tager de studerende med til frontlinien i biofysik og medicinsk fysik. 

 

Kompetencer

De studerende tilegner sig i dette kursus basale færdigheder indenfor biofysik og lærer at beskrive biologiske systemer med fysiske analyse værktøjer og modellering. Dermed giver kurset de studerende de nødvendige faglige kompetencer til at tage de videregående kurser i biofysik og medicinsk fysik. De studerende lærer desuden at tilegne sig viden fra den primære litteratur, forskningsartikler, hvor der gennemgås både klassikere og helt nye artikler. De studerende får også kompetencer i at fremlægge fagligt forsknings materiale og projektet giver mulighed for en større fordybelse i et konkret forskningsområde. Kurset giver også de studerende en enestående mulighed til at tilegne sig kompetencer i at anvende værktøjer fra statistisk fysik og mekanik til at beskrive systemer fra den levende verden.

Se Absalon for endeligt undervisningsmateriale. Følgende er et eksempel på forventet undervisningsmateriale.

Physical Biology of the Cell, Phillips, Kondev, Theriot and Garcia, 2nd edition, 2013. Garland Science.

mekanik og termodynamik
Forelæsninger, opgaveløsninger, stjerneforelæsninger, studenterfremlæggelser og et projekt.
Grundstrukturen af kurset udgøres af en forelæsningsrække med tilhørende teoretiske øvelser. Kurset beriges endvidere af stjerneindslag fra forskere fra NBI, som derved introducerer deres forskningsfelter og de mere specialiserede kurser. Kurset har en høj grad af forskningsbaseret undervisning, hvilket manifesteres ved, at en del af undervisningen, det obligatoriske projekt og kursisternes fremlæggelser er baseret på læsning af originale videnskabelige artikler.
Dette kursus erstatter de tidligere ”Introduktion til biofysik” og "biofysik for fysikere" og har stort fagligt overlap med disse.
Point
7,5 ECTS
Prøveform
Mundtlig prøve, 30 minutter
Ingen forberedelse
Krav til indstilling til eksamen

Det obligatoriske projekt skal være bestået.

Hjælpemidler
Uden hjælpemidler
Bedømmelsesform
7-trins skala
Censurform
Ingen ekstern censur
Flere interne bedømmere
Reeksamen

Samme som ordinær eksamen; Indstillingskravet er det samme som ved ordinær eksamen. Hvis indstillingskravet ikke er bestået i forbindelse med den ordinære eksamen, skal et nyt projekt afleveres senest to uger inden reeksamensdatoen.

Kriterier for bedømmelse

se målbeskrivelse

  • Kategori
  • Timer
  • Forelæsninger
  • 52
  • Teoretiske øvelser
  • 28
  • Kollokvier
  • 4
  • Projektarbejde
  • 20
  • Eksamen
  • 0,5
  • Forberedelse
  • 101,5
  • I alt
  • 206,0