Урок &quot;Биоинформатика&quot; 11 класс

Краевое государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Красноярский техникум промышленного сервиса

Методическая разработка открытого урока

"Биоинформатика"

Разработчик:

Аксёнова Светлана Андреевна

Бухарова Екатерина Владимировна.

Красноярск 2021

Цели и задачи урока:

1 Показать взаимосвязь информатики, биологии на основе общности ряда законов

живой и неживой природы, углубить представления о единстве материального

мира, взаимосвязи и обусловленности явлений, их познаваемости.

2 Активизировать мышление, умение самостоятельно формулировать выводы.

3 Развитие мотивации изучения информатики, биологии, повышение интереса к предметам естественно – научного цикла, используя разнообразные приёмы

деятельности, сообщение интересных сведений.

Результатами освоения классного часа является овладение обучающимися общими (ОК) компетенциями:

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их выполнение и качество.

ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать и осуществлять повышение квалификации.

ОК 9. Ориентироваться в условиях смены технологий в профессиональной деятельности.

ОК 10. Бережно относиться к историческому наследию и культурным традициям народа, уважать социальные, культурные и религиозные различия.

ОК 11. Быть готовым брать на себя нравственные обязательства по отношению к природе, обществу и человеку.

Техническое оснащение:

- ноутбук, мультимедийный проектор, экран.

Учебно-методическое оснащение:

-методическая разработка классного часа

-презентация

- видео ролики

План:

1. Организационный момент

1. 1. Приветствие

1. 2. Знакомство

2. Введение в тему открытого урока

2. 1. Беседа о биологии и информатике

2. 2. Сообщение темы

3. Раскрытие темы открытого урока

3. 1. Беседа о биологии, как науке, информатике и их взаимосвязи.

3. 2. Примеры биологии в информатике.

3. 3. Обсуждение результатов.

3. 4. Подведение итогов открытого урока. Рефлексия.

ВВЕДЕНИЕ

Биоинформатика как дисциплина — вещь не очень хорошо определенная, потому что это не наука в обычном понимании, как молекулярная биология, а это скорее набор приемов, набор способов работать с биологическими данными. В том же смысле, в котором генная инженерия не является наукой, а является набором экспериментальных техник. С другой стороны, этот набор приемов, этот способ думать про биологию стал очень важным последние 10–15 лет, и в общем современная биология, по-видимому, без этого особенно существовать не может. В каждой лаборатории должен быть человек, который владеет хотя бы основными приемами, иначе лаборатория оказывается очень сильно ослаблена интеллектуально.

1 Ведущий

Почему биология перестала справляться без информатики и при чем тут рак

Чтобы провести исследование, биологам уже недостаточно взять анализы и посмотреть в микроскоп. Современная биология имеет дело с колоссальными объемами данных. Часто обработать их вручную просто невозможно, поэтому многие биологические задачи решаются вычислительными методами. Не будем далеко ходить: молекула ДНК настолько мала, что разглядеть ее под световым микроскопом нельзя. А если и можно (под электронным), всё равно визуальное изучение не помогает решить многих задач.

ДНК человека состоит из трех миллиардов нуклеотидов – чтобы вручную проанализировать их все и найти нужный участок, не хватит и целой жизни. Ну, может и хватит – одной жизни на анализ одной молекулы – но это слишком долго, дорого и малопродуктивно, так что геном анализируют при помощи компьютеров и вычислений.

Биоинформатика — это и есть весь набор компьютерных методов для анализа биологических данных: прочитанных структур ДНК и белков, микрофотографий, сигналов, баз данных с результатами экспериментов и т. д.

Иногда секвенировать ДНК нужно, чтобы подобрать правильное лечение. Одно и то же заболевание, вызванное разными наследственными нарушениями или воздействием среды, нужно лечить по-разному. А еще в геноме есть участки, которые не связаны с развитием болезни, но, например, отвечают за реакцию на определенные виды терапии и лекарств. Поэтому разные люди с одним и тем же заболеванием могут по-разному реагировать на одинаковое лечение.

Еще биоинформатика нужна, чтобы разрабатывать новые лекарства. Их молекулы должны иметь определенную структуру и связываться с определенным белком или участком ДНК. Смоделировать структуру такой молекулы помогают вычислительные методы.

Достижения биоинформатики широко применяют в медицине, в первую очередь в терапии рака. В ДНК зашифрована информация о предрасположенности и к другим заболеваниям, но над лечением рака работают больше всего. Это направление считается самым перспективным, финансово привлекательным, важным – и самым сложным.

2 Ведущий

Биоинформатика в ЕРАМ

В ЕРАМ биоинформатикой занимается подразделение Life Sciences. Там разрабатывают программное обеспечение для фармкомпаний, биологических и биотехнологических лабораторий всех масштабов — от стартапов до ведущих мировых компаний. Справиться с такой задачей могут только люди, которые разбираются в биологии, умеют составлять алгоритмы и программировать.
Биоинформатики – гибридные специалисты. Сложно сказать, какое знание для них первично: биология или информатика. Если так ставить вопрос, им нужно знать и то и другое. В первую очередь важны, пожалуй, аналитический склад ума и готовность много учиться. В ЕРАМ есть и биологи, которые доучились информатике, и программисты с математиками, которые дополнительно изучали биологию.

2 Ведущий

Как читают геном

Чтобы понять суть биоинформатических проектов ЕРАМ, сначала нужно разобраться, как секвенируют геном. Дело в том, что проекты, о которых мы будем говорить, напрямую связаны с чтением генома. Обратимся за объяснением к биоинформатикам.

Представьте, что у вас есть десять тысяч экземпляров «Войны и мира». Вы пропустили их через шредер, хорошенько перемешали, наугад вытащили из этой кучи ворох бумажных полосок и пытаетесь собрать из них исходный текст. Вдобавок у вас есть рукопись «Войны и мира». Текст, который вы соберете, нужно будет сравнить с ней, чтобы отловить опечатки (а они обязательно будут). Примерно так же читают ДНК современные машины-секвенаторы. ДНК выделяют из клеточных ядер и делят на фрагменты по 300–500 пар нуклеотидов (мы помним, что в ДНК нуклеотиды связаны друг с другом попарно). Молекулы дробят, потому что ни одна современная машина не может прочитать геном от начала до конца. Последовательность слишком длинная, и по мере ее прочтения накапливаются ошибки.

Вспоминаем «Войну и мир» после шредера. Чтобы восстановить исходный текст романа, нам нужно прочитать и расположить в правильном порядке все кусочки романа. Получается, что мы читаем книгу несколько раз по крошечным фрагментам. То же с ДНК: каждый участок последовательности секвенатор прочитывает с многократным перекрытием – ведь мы анализируем не одну, а множество молекул ДНК.

Полученные фрагменты выравнивают – «прикладывают» каждый из них к эталонному геному и пытаются понять, какому участку эталона соответствует прочитанный фрагмент. Затем в выравненных фрагментах находят вариации – значащие отличия прочтений от эталонного генома (опечатки в книге по сравнению с эталонной рукописью). Этим занимаются программы – вариант-коллеры (от англ. variant caller – выявитель мутаций). Это самая сложная часть анализа, поэтому различных программ – вариант-коллеров много и их постоянно совершенствуют и разрабатывают новые.

Подавляющее большинство найденных мутаций нейтральны и ни на что не влияют. Но есть и такие, в которых зашифрованы предрасположенность к наследственным заболеваниям или способность откликаться на разные виды терапии».

2 Ведущий

Биоинформатика: производство и опенсорс

У подразделения биоинформатики в ЕРАМ есть и производственные, и опенсорс-проекты. Причем часть производственного проекта может перерасти в опенсорс, а опенсорсный проект – стать частью производства (например, когда продукт ЕРАМ с открытым кодом нужно интегрировать в инфраструктуру клиента).

Проект №1: вариант-коллер

Для одного из клиентов – крупной фармацевтической компании – ЕРАМ модернизировал программу вариант-коллер. Ее особенность в том, что она способна находить мутации, недоступные другим аналогичным программам. Изначально программа была написана на языке Perl и обладала сложной логикой. В ЕРАМ программу переписали на Java и оптимизировали – теперь она работает в 20, если не в 30 раз быстрее.

Исходный код программы доступен на GitHub.

Проект №2: 3D-просмотрщик молекул

Для визуализации структуры молекул в 3D есть много десктоп- и веб-приложений. Представлять, как молекула выглядит в пространстве, крайне важно, например, для разработки лекарств. Предположим, нам нужно синтезировать лекарство, обладающее направленным действием. Сначала нам потребуется спроектировать молекулу этого лекарства и убедиться, что она будет взаимодействовать с нужными белками именно так, как нужно. В жизни молекулы трехмерные, поэтому анализируют их тоже в виде трехмерных структур.
Для 3D-просмотра молекул ЕРАМ сделал онлайн-инструмент, который изначально работал только в окне браузера. Потом на основании этого инструмента разработали версию, которая позволяет визуализировать молекулы в очках виртуальной реальности HTC Vive. К очкам прилагаются контроллеры, которыми молекулу можно поворачивать, перемещать, подставлять к другой молекуле, поворачивать отдельные части молекулы. Делать всё это в 3D куда удобнее, чем на плоском мониторе. Эту часть проекта биоинформатики ЕРАМ делали совместно с подразделением Virtual Reality, Augmented Reality and Game Experience Delivery.

1 Ведущий

Проект №3: геномный браузер NGB

Геномный браузер визуализирует отдельные прочтения ДНК, вариации и другую информацию, сгенерированную утилитами для анализа генома. Когда прочтения сопоставлены с эталонным геномом и мутации найдены, ученому остается проконтролировать, правильно ли сработали машины и алгоритмы. От того, насколько точно выявлены мутации в геноме, зависит, какой диагноз поставят пациенту или какое лечение ему назначат. Поэтому в клинической диагностике контролировать работу машин должен ученый, а помогает ему в этом геномный браузер.

Биоинформатикам-разработчикам геномный браузер помогает анализировать сложные случаи, чтобы найти ошибки в работе алгоритмов и понять, как их можно улучшить.

Новый геномный браузер NGB (New Genome Browser) от ЕРАМ работает в вебе, но по скорости и функционалу не уступает десктопным аналогам. Это продукт, которого не хватало на рынке: предыдущие онлайновые инструменты работали медленнее и умели делать меньше, чем десктопные. Сейчас многие клиенты выбирают веб-приложения из соображений безопасности. Онлайн-инструмент позволяет ничего не устанавливать на рабочий компьютер ученого. С ним можно работать из любой точки мира, зайдя на корпоративный портал. Ученому не обязательно всюду возить за собой рабочий компьютер и скачивать на него все необходимые данные, которых может быть очень много.

2 Ведущий

Как изучать биоинформатику

Мы уже говорили, что биоинформатики – гибридные специалисты, которые должны знать и биологию, и информатику. Самообразование играет в этом не последнюю роль. Конечно, в ЕРАМ есть вводный курс в биоинформатику, но рассчитан он на сотрудников, которым эти знания пригодятся на проекте. Занятия проводятся только в Санкт-Петербурге.

Что касается бактерий, то в эпоху классической биологии их классифицировали по форме клеток и по метаболическим свойствам: какие сахара они могут утилизировать, какие аминокислоты и кофакторы могут синтезировать сами, а в каких нуждаются как в составной части внешней среды и т. п. Эта таксономия была очень слабой, поскольку у бактерий по сравнению с высшими организмами очень мало морфологических и функциональных признаков. Сегодня таксономия бактерий, по-видимому, полностью основывается на молекулярных данных. В массовом порядке пересматриваются видовые названия. Но самым впечатляющим достижением в этой области была, конечно, работа Карла Вёзе, который в 1977 году на основании молекулярной таксономии постулировал существование архебактерий (сейчас их называют археями) — третьего домена жизни, отличного от эукариот и «настоящих» бактерий.

2 Ведущий

Нельзя сказать, что все проблемы систематики бактерий отныне решены. В значительной мере оказалось разрушенным представление о том, что такое бактериальный вид. Обнаружилось, например, что у двух штаммов кишечной палочки — представителей одного вида — до трети генов могут быть уникальными, то есть присутствовать в одном штамме и отсутствовать в другом. Много неожиданного и интересного уже известно о бактериальной эволюции. В частности, оказалось, что горизонтальный перенос — обмен генетическим материалом — может происходить между таксономически далекими существами. Например, Metanosarcina — типичная архея, но треть ее генов имеют бактериальное происхождение, и эти гены обслуживают практически весь ее метаболизм, в то время как механизмы транскрипции, трансляции, репликация, устройство мембраны у метаносарцины характерны для архей. По этому примеру можно судить о том, насколько увлекательно сейчас заниматься эволюцией бактерий.

1 Ведущий

Вывод

Перспективы, с одной стороны, очень радужные, потому что биоинформатика востребована, биологии без информатики не бывает, там данные прибывают и прибывают. А с новыми данными можно ставить новые задачи, то, о чем я говорил, — предсказание функций белков. Мы начинали, когда реальных геномов было два, три, пять, и делали очень грубые вещи. А сейчас можно делать очень тонкие вещи: можно изучать эволюцию регуляторных систем, можно предсказывать функции с гораздо большим разрешением.

С другой стороны, наши возможности по осмыслению этого довольно сильно отстают. Идеальный вариант, если бы всех биоинформатиков заперли на три года где-нибудь на острове в тропиках, просто дали им возможность спокойно потрепаться и подумать и никаких новых данных им в это время не давали. Это был бы очень разумный проект, если найдется правильный спонсор, я всячески призываю это делать. Потому что реально в этих крысиных бегах, когда данные все время катятся, все время какое-то ощущение, что бежишь впереди паровоза. А поскольку конкуренция очень сильная, сильных групп много, то нет времени подумать, потому что надо очень быстро обработать новые красивые данные, опубликовать, а дальше уже бежать за следующими. Так что с социальной точки зрения ситуация очень забавная, я не знаю, с чем это сравнить.