Bionanotechnologija ir biomodeliavimas

  • Dalyko kodas: BIO 6002
  • Dalyko grupė: C
  • Apimtis ECTS kreditais: 6
  • Pavadinimas anglų kalba: BIONANOTECHNOLOGY AND BIOMODELING
  • Dėstytojas(-ai):

    Prof. Gintautas Saulis, dr. Vykintas Baublys

Dalyko anotacija lietuvių kalba

Šis kursas skirtas supažindinti gamtamokslius studentus su pagrindinėmis bionanotechnologijos ir biomodelliavimo idėjomis ir principais, išaiškinami šių mokslų pasiekimai ir istorija; išanalizuojami jų uždaviniai, objektai ir metodai, bei praktinis pritaikymas. Kurso metu studentai supažindinami su bionanotechnologijos taikymu biologijoje, bio-technologijoje ir medicinoje; nagrinėjami nanovamzdeliai, kvantiniai taškai, nanokapsulės, nanoreaktoriai, nanodalelės, nanoadatos, nanoporos ir kiti taikymai. Aptariami bionanotechnologijos keliami pavojai, visuomenės sveikata, aplinkos ir vartotojų apsauga, bei ateities bionanotechnologija. Apžvelgiamos biomodeliavimo ištakos ir vieta biologijoje; biologinių molekulių duomenų bazės; pažangus biologinių sekų sugretinimas; daugybinis sekų sugretinimas; genų ekspresija ir prognozavimas; baltymų analizė biomodeliavimo įrankiais; molekulinė filogenija ir evoliucija bioinformatikoje.

Dalyko anotacija užsienio kalba

To outline the importance and potential applications of nanotechnology as an enabling technology to biotechnology, to present state-of-the-art research in the field. The course concludes with lectures devoted to the social and economic context of nanotechnologies and to their potential risks and possible solutions. Course is a survey of biomodeling in biology, emphasizing basic principles, practical use and future perspectives. It provides teoretical and practical knowledge on work with biological databases, biological se1uence advanced and multiple sequence alignment, gene expression and prediction, protein analysis by biomodeling tools, molecular phylogeny and evolution in bioinformatics.

Būtinas pasirengimas dalyko studijoms

Bendroji biologija, Biochemija, Bendroji genetika, Biofizika, Mikrobiologija ir imunologijos pagrindai, Bendroji biotechnologija ir bioinformatika.

Dalyko studijų rezultatai

Įgys žinias apie: pagrindines bionanotechnologijų ir biomodeliavimo idėjas ir jų raidą; bionanotechnologinių tyrimų metodus ir principus; sprendžiamas problemas bei pavojus ir galimus jų sprendimo būdus; bionanotechnologijų ir biomodeliavimo panaudojimą moksliniuose tyrimuose ir santykį su kitais biologiniais mokslais. Įgys žinias apie biomodeliavimo panaudojimą molekuliniame, organizmo ir filogenetiniame lygmenyse; biologinių sekų sugretinimo pritaikomumą; genų ir baltymų prognozavimo ir ekspresijos analizės metodus; filogenetinių ir evoliucinių problemų sprendimą bioinformatikos įrankių pagalba. Suvoks: bionanotechnologijų ir biomodeliavimo reikšmę šiuolaikinės biologijos, kitų modernių mokslų, bei visuomenės vystymosi kontekste; bionanotechnologijų ir biomodeliavimo taikymą pramonėje ir moksliniuose tyrimuose; biomodeliavimo taikymą konstruojant skirtingo struktūrinio biologinio lygmens modelius. Suvoks biologinių sekų ir struktūrų duomenų bazių panaudojimo galimybes. Suvoks biologinių sekų ir struktūrų pažangaus ir daugybinio palyginimo konstravimo metodus ir panaudojimą. Suvoks genų ir baltymų prognozavimo metodų ir įrankių galimybes ir perspektyvas, bei šių metodų sąsajas pilnai biologinių procesų anotacijai molekuliniame lygmenyje. Suvoks filogenetinių ir evoliucinių problemų sprendimo būdus panaudojant bioinformatikos įrankius. Gebės: naudojantis bionanotechnologinėmis priemonėmis praktiškai atlikti genų ir vaistų perkėlimą į gyvulines ir augalines ląsteles. Gebės efektyviai atlikti DNR, RNR ir baltymų molekulinių sekų ir struktūrų paiešką skirtingose duomenų bazėse, bei surasti informaciją apie jų funkciją bei kitą specifinę informaciją; atlikti pažangų ir daugybinį biologinių makromolekulių sekų palyginimą skirtingais bioinformatikos įrankiais bei atlikti teisingą palyginių interpretaciją. Gebės aptikti genus neanotuotose sekose ir surasti sąryšius su koduojamais baltymais. Gebės prognozuoti baltymo struktūrą ir funkciją remiantis nukleotidine informacija., moliarine struktūra ir kitais bioiformatikos įrankiais. Gebės atlikti filogenetinę analizę pasitelkiant bioinformatikos įrankius.

Dalyko turinys

Bionanotechnologijos mokslas ir istorija. Bionanotechnologijų uždaviniai, objektai ir metodai bei praktinis pritaikymas. Nanotechnologija biologijoje, bio-technologijoje ir medicinoje. Bionanotechnologijos keliami pavojai, visuomenės sveikata, aplinkos ir vartotojų apsauga. Ateities bionanotechnologija. Biomodeliavimo mokslas, praktinis pritaikymas ir perspektyvos. Biologinių duomenų bazių integralumas ir informatyvumas. Pažangi paieška duomenų bazėse. Specializuota BLAST paieška. Silpnai susijusių baltymų paieška (PSI-BLAST ir PHI-BLAST). Į BLAST panašių bioinformatikos įrankių naudojimas (Pattern hunter, BLASTZ, BLAT, Mega BLAST). BLAST panaudojimas genų aptikime. Daugybinis sekų sugretinimas. Sugretinimo apibūdinimas, panaudojimas ir strategijos. Pagrindiniai daugybinio sugretinimo metodai. Daugybinio sugretinimo duomenų bazės (Pfam, konservatyvių domenų duomenų bazė, PopSet). Duomenų bazių valdymas: rankinis ar automatinis. Molekulinė filogenija ir evoliucija bioinformatikoje. Rūšių filogeniniai medžiai prieš genų/baltymų filogeninius medžius. DNR, RNR ir baltymų sekomis paremti filogeniniai medžiai. Filogenetinės analizės etapai. Genų prognozė ir genų ekspresija (mikrogardelių duomenų analizė). Genų prognozės metodikos ir geno struktūriniai elementai. Duomenų analizės programiniai paketai, brėžiniai, normalizacija. Duomenų statistinis apdorojimas (sankaupinės analizės, principinių komponenčių analizė, genų klasifikacija). Baltymų analizė ir proteomika. Baltymų duomenų bazės. Baltymų identifikavimo metodai. Baltymų modulinė struktūra (domenai, motyvai ir profiliai). Prognozavimo programos (baltymų lokalizacija ir funkcija). Praktiniai užsiėmimai: Elektroporacijos metodo pagalba DNR ir vaistų įvedimas į augalines ir gyvulines ląsteles, bei detekcija. Biologinių makromolekulių duomenų bazių įvairovė ir panaudojimas. Specializuota BLAST paieška (PSI-BLAST, PHI-BLAST). Dinozauro DNR analizė (BLAST, daugybinis palyginimas) Mikrogardelių duomenų apdorojimas. Eukariotinių genų prognozė (GenScan, HMMgene, NetGene2) ExPASy internetinio portalo įrankiai proteomikoje. Žmogaus ir šimpanzės mitochondrinių sekų evoliucinis greitis.

Dalyko studijos valandomis

45 val. paskaitų, 15 val. laboratoriniai darbai; 3 val. žinių vertinimui; 97 val. savarankiškas darbas.

Studijų rezultatų vertinimas

Tarpinis testas (koliokviumas) raštu sudaro 17 % galutinio studentų žinių įvertinimo. Laboratoriniai darbai – 33 %. Egzaminas- 50 % galutinio žinių įvertinimo, vertinamas tik atlikus savarankiškas užduotis, bei laboratorinius darbus ir pilnai už juos atsiskaičius.

Literatūra

1. 2009 Pevsner J. Bioinformatics and functional genomics John Willey and Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, JAV
2. 2008 Baublys V. Bioinformatika ir biomodeliavimas 2. Morkūnas ir Ko, Kaunas
3. 2006 Wink M. (Eds.) An introduction to molecular biotechnology John Wiley & Sons
4. 2005 Saulis G., Bionanotechnologija: paskaitų medžiaga. VDU leidykla,Kaunas
Papildoma literatūra.
1. 2007 Xiaohua Hu, Yi Pan. Hoboken (N. J.). Knowledge discovery in bioinformatics :techniques, methods, and applications John Willey and Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, JAV
2. 2005 Andrade M. A. Bioinformatics and genomes :current perspectives Wymondham : Horizon Scientific Press
3. 2005 Baxevanis A. D., Ouellette B. F. F. Bioinformatics :a practical guide to the analysis of genes and proteins Wiley-Interscience
4. 2004 Orengo C., Jones D., Thornton J.Bioinformatics :genes, proteins and computers Wiley-Interscience
5. 2004 Niemeyer C.M., Mirkin Nanobiotechnology: Concepts, Applications and Perspectives. C.A.