Molekulska in sistemska biologija

Opis predmeta

Molekulska in sistemska biologija sta temeljni naravoznanstveni vedi, ki se ukvarjata tako s celicami mikroorganizmov (bakterije, arheje, glive, alge, praživali) kot tudi živalskimi in rastlinskimi celicami na nivoju molekulskih mehanizmov, vloge in strukture različnih molekul in makromolekul, odzivov na različne dejavnike okolja in posledičnih sprememb (regulacija, transkripcija, translacija in posttranslacijski mehanizmi). Raziskovanje je po eni strani usmerjeno v preučevanje normalno delujočih, neokvarjenih celic, po drugi strani pa v iskanje okvar, ki lahko vodijo do vzpostavitve bolezenskega stanja. V okvir molekulske in sistemske biologije spadata tudi področja genomike in metagenomike, ki obravnavata posamezno celico, mikrobne združbe ali tkiva kot nosilce dedne informacije, ki se potencijalno izrazi. Raziskave v okviru področja torej obravnavajo tako posamezne celice, izbrane kot modelni organizmi, kot tudi kompleksnejši nivo mikrobnih združb in tkiv, kar za razumevanje zahteva pristope, ki vključujejo modeliranje bioloških sistemov in sintezo pridobljenega znanja.

V okviru predmeta bodo udeleženi izvajalci podrobneje seznanili študente z naborom spodaj navedenih tematik:

1.Molekulske osnove programirane celične smrti pri rastlinah v primerjavi z drugimi celicami, tako prokariontskimi kot evkariontskimi;

2. Prilagoditve ekstremofilnih mikrorganizmov na življenje v ekstremnih razmerah (npr. visoke ali nizke temperature, nizek ali visok pH, povečana slanost, tlak, radiacija) na nivoju makromolekul (proteini, nukleinske kisline, lipidi), v primerjavi z makromolekulami mezofilnih organizmov. Obravnavana bo termodinamska stabilnost naštetih makormolekul, s poudarkom na termodinamski in kinetični stabilnosti proteinov pri procesu zvitja in razvitja ter vlogi nepravilno zvitih proteinov in amiloidov pri različnih boleznih (npr. Parkinsonova bolezen, prionske bolezni);

3. Poznavanje sinteze, procesiranja, transporta in razgradnje RNA. Poznavanje različnih nekodirajočih RNA (mikroRNA, snoRNA in lncRNA) molekul ter razumevanje njihovega delovanja na različnih nivojih regulacije izražanja genov. Biološke in bolezenske funkcije različnih družin RNA (mRNA, miRNA, snoRNA, siRNA).Predstavljena bo regulatorna premreženost RNA, ki verjetno v največji meri vpliva na kompleksne značilnosti organizmov in ima pomembno vlogo pri razvoju, pa tudi pri nastanku bolezni;

4. Primerjava strukture in funkcije nekaterih klinično pomembnih encimov (npr. esteraze)in preučevanje mehanizma delovanja inhibitorjev ter njihova uporaba pri zdravljenju bolezni. Spoznavanje sodobnih encimatskih metod za določanje in analizo kinetičnih parametrov na podatkih večjega obsega;

5.Poznavanje bioloških osnov rasti tumorjev, z opisom značilnih molekularnihi sprememb, kot molekularnimi tarčami za tarčna zdravila. Osnove genske terapije raka in njena uporabnost pri zdravljenju rakavih obolenj;

6. Spoznavanje genomike mikroorganizmov, s poudarkom na splošnih razlikah med prokariontskimi in evkariontskimi genomi, načini določanja genomskih zaporedij, metodami primerjave genomskih zaporedij. S primeri iz prakse bodo ponazorjene analize, ki jih omogočajo sodobna bioinformatska orodja na področju genomike in primerjalne genomike.

7. Spoznavanje biologije v post-genomskem obdobju, s poudarki na novih tehnologijah določanja nukleotidnega zaporedja, pristopi v metagenomiki, pristopi v metatranskriptomiki, genomiki posamezne celice, metagenomiki vodnih okolij, tal, sedimentov, človeka in metaviriomi. Področje tudi obsega uvod v Linux, sestavljanje in anotacijo prokariontskih genomov, analizo metagenomskih podatkovnih zbirk, sestavljanje in analizo metagenomske DNA;

8. Modeliranje v bioloških sistemih s spoznavanjem baz znanja, ki jih lahko uporabljamo, tipi formalizmov in njihovo namembnostjo, orodji za dinamično in strukturno modeliranje bioloških sistemov, pridobivanje eksperimentalnih podatkov za podporo modeliranju.

9. Zgradba in funkcionalna asimetrija bioloških membran, lipidne mikrodomene, interakcije proteinov z membranam, sodobne tehnike za študij umernih in bioloških membran in njihovih gradnikov.

Predmet učimo na programih

Cilji in kompetence

Študent se bo poglobil v ožjo raziskovalno področje, ki ga bo nadgrajeval v svoji doktorski disertaciji. Predmet ni namenjen ekstenzivnemu širjenju teoretičnega znanja, pač pa je cilj predstavitev določene problematike ter metod in pristopov, ki lahko pripomorejo k rešitvi znanstvenih problemov. Namenjen je tudi poznavanju predhodnih raziskav s področja bodoče doktorske disertacije študenta.

Med cilje predmeta spada posredovanje ključne znanstvene literature iz področja izbrane znanstvene tematike, vključno s posredovanjem lastnega raziskovalčevega znanja in pomoč pri analizi eksperimentalno pridobljenih podatkov.

Specifični cilji:

pridobivanje specialnih znanj s področja arhejske, bakterijske, glivne, živalske in rastlinske celice,
poznavanje fizikalnih zakonitosti, ki določajo stabilnost bioloških makromolekul v ekstremnih razmerah,
poznavanje različnih nekodirajočih RNA (mikroRNA, snoRNA in lncRNA) molekul in ter razumevanje njihovega delovanja na različnih nivojih regulacije izražanja genov,
razumevanje molekulskih mehanizmov delovanja klinično pomembnih peptidov. Razumevanje, da kemijske modifikacije naravnih peptidov lahko vodijo v nastanek biološko bolj učinkovitih molekul, ki so pomembne pri zdravljenju bolezni
razumevanje molekularnih mehanizmov in interakcijskih sistemov, ki so vpleteni v biogenezo, transport, delovanje in razgradnjo različnih družin RNA. Vpogled v bolezensko pomembne procese in načine zdravljenja.
razumevanje osnovnih značilnosti mikrobnih genomov in metod za njihovo analizo, Prepoznavanje možnosti za temeljna in uporabna spoznanja, ki jih nudi preučevanje genomov in omejitev tega pristopa (česar na podlagi genomskega zaporedja (še) ni mogoče ugotoviti)
pridobitev poglobljenega vpogleda v metagenomiko in raziskovalne možnosti, ki jih omogoča..
seznanitev s področjem sistemske biologije, vključno z metodološkimi pristopi v eksperimentalnem delu kot tudi v analizi podatkov ter modeliranju.

Metode poučevanja in učenja

Priprava in vodenje razprav o prebranih znanstvenih člankih, diskusije in konzultacije glede reševanja raziskovalnih problemov z metodo razlage, razgovora, demonstracije, dela s teksti, učenja z informacijskimi viri, raziskovalno učenje..

Predstavitev praktičnega raziskovalnega problema in poteka njegove analize s sprotno predstavitvijo relevantnih znanj, ki so za proces potrebna.

Predvideni študijski rezultati

Zgoraj opisan pristop se mora odraziti v pravilnem načrtovanju raziskav in poskusov, ki vodijo k preiskusu hipotez zastavljenih v temi doktorske disertacije,

poznavanju izbrane raziskovalne tematike, sposobnosti razlage najpomembnejših principov in interpretacije pridobljenih rezultatov.

Znanje in razumevanje:

razumevanje delovanja programov celične smrti pri rastlinah v primerjavi s programi celične smrti pri živalih in prokariontih,

razumevanje stabiliziranja makromolekul ekstremofilnih mikroorganizmov,

razumevanje regulatorne premreženosti RNA, ki verjetno v največji meri vpliva na kompleksne značilnosti organizmov in ima pomembno vlogo pri razvoju, pa tudi pri nastanku bolezni,

razumevanje molekulskih mehanizmov, ki omogočajo delovanje peptidov v celicah in poznavanje uporabe peptidov pri zdravljenju bolezni,

razumevanje dinamike sinteze in procesiranja RNA ter

pomembnih funkcij različnih družin RNA,

razumevanje značilnosti mikrobnih genomov, različnih (osnovnih) pristopov v analizi genomskih zaporedij in različnih (osnovnih) pristopov v primerjavi genomskih zaporedij,

Razumevanje metagenomike kot porajajoče se znanost in kot raziskovalno orodje, pregled metodologije sistemske biologije in sposobnost ugotavljanja primernosti različnih pristopov za reševanje specifičnih problemov modeliranja bioloških sistemov.

Temeljni viri in literatura

Novejši znanstveni pregledni in eksperimentalni članki s področja, druga učna gradiva in spodaj navedene knjige ter pregledni članki.

Recent review scientific and experimental papers, literature from the field, text books, and books and review articles listed below.

Knjige/Books:

1. Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis, 2nd edition, David W. Mount. Cold Spring Harbor Laboratory Press.

2. Edda Klipp , Wolfram Liebermeister , Christoph Wierling , Axel Kowald , Hans Lehrach , Ralf Herwig: Systems Biology, Wiley, 2009

3. Eberhard Voit A First Course in Systems Biology, Garland Science, 2012

4. Dermastia, Marina. Pogled v rastline. Ljubljana: Nacionalni inštitut za biologijo, 2010. 237 str., ilustr. ISBN 978-961-92543-4-9. pp 1-74.

4. Radiobiology for Radiologists. E Hall and Amato J. Gaccia, seventh edition, Wolters Kluwer and Lippincott, 2012The Basic Science of Oncology. Fofth edition, Tannock I, Hill R, Bristow R, Harrington L. Mc Graw Hill 2013

5. Thermophiles: Biology and technology at high temperatures, Ed. F. Robb, G. Antranikian, D. Grogan, A. Driessen (2008). CRC Press, pp. 7-73.

Članki/Papers:

Dinger ME. Long non-coding RNAS in disease and development. Pathology. 2014 Feb;46 Suppl 1:S26.
Uversky, V. (2011) Intrinsically disordered proteins from A to Z. International Journal of Biochemistry & Cell Biology 43, 1090-1103.

4. Baggio LL, Drucker DJ. Biology of incretins: GLP-1 and GIP. Gastroenterology. 2007 May;132(6):2131-57.

5. Zinman B. Newer insulin analogs: advances in basal insulin replacement. Diabetes Obes Metab 2013;15(Suppl. 1):6–10.

6. Bavec A (Poly)peptide-based therapy for diabetes mellitus: Insulins versus incretins. Life Sci. 2014 Jan 8. pii: S0024-3205(14)00005-8. doi: 10.1016/j.lfs.2013.12.210.

Strojan, Hočevar ured.: Onkologija [Elektronski vir] : učbenik za študente medicine, Ljubljana : Onkološki inštitut = Institute of Oncology, 2018, SBN – 978-961-7029-06-2; COBISS.SI-ID – 294451456; https://www.onko-i.si/fileadmin/onko/datoteke/Strokovna_knjiznica/publikacije_za_bolnike/Onkologija_ucbenik_za_studente_medicine_2018.pdf
Harrington L, Tannock I.F., Hill R.P., Cescon D. (2021). The Basic Science of Oncology. 6th ed. McGraw-Hill Professional. pp 558, ISBN: 978-1259862076.
Weinberg R.A. (2014). The Biology of Cancer. ISBN 978-0-8153-4219-9