Podstawy proteomiki

Przedmiot kierunkowy - obowiązkowy, 6 semestr studiów

Wymagania wstępne: zaliczone przedmioty z zakresu biologii komórki, biochemii, biofizyki, chemii ogólnej i organicznej

Wykłady definiują proteomikę jako systemowe podejście do analizy białek, łączące ich mapowanie z charakterystyką funkcjonalną; podają zakres merytoryczny i strategie badawcze, charakter poznawczy i utylitarny, pojęcie genomu i proteomu, porównanie z genomiką, wkład w osiągnięcia innych dziedzin badawczych. Omówione są podstawowe elementy analizy proteomów, schematy postępowania, nowe trendy i kierunki rozwoju proteomiki, jak również metody i techniki badawcze: elektroforeza dwukierunkowa (2DE), spektrometria masowa (MS), wybrane metody frakcjonowania, izolacji, badań struktury i własności białek wraz z podaniem konkretnych przykładów analizy proteomów. Ćwiczenia laboratoryjne obejmują elementy proteomiki funkcjonalnej.

Tematyka zajęć:

Wykłady - 15 godz.

1. Pojęcie genomu i proteomu, definicja proteomiki - charakter podstawowy i aplikacyjny, zakres merytoryczny oraz strategie badawcze, wkład w osiągnięcia współczesnych nauk przyrodniczych.

2. Biosynteza i regulacja ekspresji białek, cykl życiowy białka – od jego syntezy aż do końcowej degradacji; określanie proteomu na podstawie znajomości i analizy genomu, porównanie proteomu różnych organizmów.

3. Proteomika funkcjonalna vs. proteomika ekspresji białek. Podstawowe elementy analizy proteomicznej – schematy postępowania. 4. Metody elektroforetyczne w proteomice – omówienie wybranych technik, w tym zwłaszcza elektroforezy dwukierunkowej (2DE) – zasady prowadzenia rozdziału oraz akwizycja i wizualizacja danych, opracowanie wyników, tworzenie map 2D, konstrukcja baz danych. 5. Metoda spektrometrii masowej (MS) w proteomice - podstawy teoretyczne i wykorzystanie w praktyce analizy proteomów. 6. Efektywność i sprawność analiz proteomicznych: automatyzacja i robotyzacja, stosowanie narzędzi bioinformatycznych - informatyzacja systemów, tworzenie elektronicznych, internetowych baz danych.

7. Metody frakcjonowania, izolacji i badań białek w proteomice - homogenizacja tkanek, zagęszczanie roztworów białek, ultrawirowanie, ultrafiltracja, wysalanie, techniki strąceniowe; chromatografia cieczowa (LC), średniociśnieniowa (FPLC), wysokosprawna (wysokociśnieniowa) chromatografia cieczowa (HPLC). Wybrane metody badań struktury i własności białek - dyfrakcja promieniowania X, modelowanie struktury białek, metody spektrometryczne i spektroskopowe.

8. Nowe kierunki w proteomice - rozwój bioinformatyki, nowoczesne metody identyfikacji białek: recognition chips, protein arrays, lab-on-a-chip; opracowywanie ultraczułych technik detekcji – mikrokapilary, nanometody.

9. Przykłady konkretnych badań z zakresu analizy proteomów roślinnych, zwierzęcych i drobnoustrojów.

Ćwiczenia laboratoryjne - 15 godz.

1. Elementy proteomiki funkcjonalnej - badania enzymów indukowanych w warunkach stresu środowiskowego: indukcja enzymów szlaku metylotroficznego drożdży hodowanych w obecności metanolu; przygotowanie inoculum i hodowla biomasy w biofermentorze do prac nad izolacją białek enzymatycznych.

2. Optymalizacja warunków procesowych biofermentora, oznaczanie biomasy metodą turbidymetryczną, pozyskanie białkowego ekstraktu komórkowego: wirowanie biomasy, dezintegracja zawiesiny komórkowej (ultrasonikacja).

3. Izolacja i oczyszczanie enzymów szlaku metylotroficznego: rozdział białek ekstraktu komórkowego na frakcje wzbogacone w poszczególne enzymy metodą chromatografii FPLC, oznaczanie stężenia białka; analiza kinetyczna wybranych aktywności enzymatycznych w poszczególnych frakcjach

Podstawowa:

Kraj, A., Silberring J., red. Proteomika. Praca zbiorowa, Wyd.Wydział Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego, 2004

Kraj, A., Drabik A., Silberring J. (red. nauk.) Proteomika i metabolomika. Praca zbiorowa, Wyd. Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2010

Liebler, D. C. Introduction to Proteomics: Tools for the New Biology. Humana Press, 2002

Uzupełniająca:

Pennington S. Proteomics: From Protein Sequence to Function. Dunn M. J. (Ed.) Springer-Verlag New York, Inc., 2000

Marshak, D.R., Kadonaga J.T., Burgess R.R., Knuth M.W., Breenan Jr. W.A., Lin S.-H. Strategies for protein purification and characterization. A laboratory course manual. Cold Spring Harbor Lab. Press, 1996

Westermeier R. Naven T. Proteomics in Practice: A Laboratory Manual of Proteome Analysis. John Wiley & Sons, 2002

Wiedza - student zna i rozumie:

- pojęcie proteomu oraz proteomikę jako systemową analizę białek obejmującą ich mapowanie wraz z charakterystyką funkcjonalną - interdyscyplinarny charakter proteomiki, jako dziedziny łączącej badania poznawcze i aplikacyjne

- zakres i strategie badawcze proteomiki oraz porównuje je z kierunkami badawczymi współczesnej genomiki, transkryptomiki i chemii białek - komplementarność analizy proteomicznej wobec badań genomicznych

- podstawowe elementy analizy proteomicznej i standardowe schematy postępowania

- główne metody i techniki badawcze (tools of proteomics) proteomiki ekspresji białek oraz proteomiki funkcjonalnej - podejścia badawcze charakterystyczne dla proteomiki, wskazując na podstawowe wyróżniki analizy proteomicznej - metodologię badań typową dla proteomiki od genomiki, transkryptomiki i chemii białek

- ogólnie podstawy teoretyczne oraz zastosowanie w proteomice technik elektroforetycznych (w szczególności 2DE), spektrometrii masowej, metod frakcjonowania, izolacji oraz badań struktury i funkcji białek

- kierunki rozwoju proteomiki: zastosowanie narzędzi bioinformatycznych, wykorzystanie nanometod i mikromacierzy białkowych - możliwości badawcze proteomiki wspierając je konkretnymi przykładami analizy proteomu

Umiejętności - student potrafi:

- stosować wybrane metody pozyskania ekstraktów białkowych z materiału biologicznego oraz techniki frakcjonowania białek - obsługiwać specjalistyczne biofermentory do hodowli biomasy

- pracować, w zakresie podstawowym, z nowoczesną aparaturą i sprzętem laboratoryjnym wykorzystywanym w analizie funkcjonalnej białek komórkowych - wykorzystywać specjalistyczne oprogramowanie do kontroli aparatury badawczej oraz do analizy wyników

- zaplanować eksperyment naukowy oraz dobrać optymalną strategię badawczą w badaniach proteomu

- poddać krytycznej analizie wyniki badań, opracować je systematycznie oraz eliminować artefakty w analizie proteomicznej

Kompetencje społeczne - student jest gotów do:

- zorganizowanej pracy zespołowej

- wykorzystania najnowszych osiągnięć badań naukowych w praktyce analizy proteomu

- oceny ryzyka oraz efektów pracy laboratoryjnej

- wartościowania znaczenia wyników analizy proteomicznej wobec potrzeby kosztownych i pracochłonnych badań - zdyscyplinowanej, odpowiedzialnej, rzetelnej i systematycznej pracy w badaniach eksperymentalnych

- wykazania inwencji i kreatywności przy rozwiązywaniu konkretnych problemów praktycznych podczas realizacji zaplanowanego schematu badawczegoożliwości badawcze proteomiki wspierając je konkretnymi przykładami analizy proteomu

Wykłady: sprawdzian pisemny ograniczony czasowo, obejmujący test jednokrotnego/wielokrotnego wyboru oraz rozwiązanie zadania problemowego - analiza zadanego przypadku (70% udziału w ocenie końcowej)

Ćwiczenia: zaliczenie raportu/sprawozdania z prac laboratoryjnych (grupowe) (30%)