Biologia molekularna

Celem nauczania jest zaznajomienie studentów z budową i funkcją kwasów nukleinowych, procesami replikacji, transkrypcji i translacji. Ponadto, w ramach wykładów przedstawione zostaną zagadnienia związane z kontrolą ekspresji genów na poziomie genomowym, transkrypcyjnym, potranskrypcyjnym, translacyjnym i potranslacyjnym.

Wykłady z przedmiotu zapoznają też studentów z aktualnym stanem wiedzy na temat molekularnych regulacji procesów życiowych roślin. Zostanie zwrócona uwaga na przykłady praktycznego wykorzystania wiedzy w tym zakresie dla doskonalenia odmian roślin uprawnych zarówno na drodze inżynierii genetycznej jak i rozwoju technik selekcyjnych.

Omówione zostaną i zaprezentowane podstawowe techniki analizy DNA, ekspresji genów i białek.

Podczas zajęć szczególną uwagę zwracać się będzie na zagadnienia związane z postrzeganiem przyrody jako zbioru funkcjonalnie ze sobą powiązanych przemian decydujących o złożoności układów biologicznych dzięki wzajemnym powiązaniom i regulacjom.

Szczegółowy harmonogram wykładów:

1. Struktura i właściwości kwasów nukleinowych – organizacja genomu organizmów prokariotycznych i eukariotycznych.

2. Replikacja DNA bakteryjnego i eukariotycznego, dynamika genomu.

3-4. Techniki analizy DNA (PCR, sekwencjonowanie), biblioteki genowe i ich przeszukiwanie, diagnostyka molekularna.

5. Transkrypcja u organizmów prokariotycznych (operon lac i trp).

6-7. Transkrypcja u organizmów eukariotycznych i mechanizmy jej kontroli.

8. Obróbka potranskrypcyjna i mechanizmy jej kontroli.

9. Translacja i modyfikacje potranslacyjne. Regulacja czasu życia białka.

10. Interferencja RNA i jej wykorzystanie.

11-12. Techniki badania ekspresji genów

14-15. Szlaki transdukcji sygnału u roślin: receptory działające jako czynniki transkrypcyjne, białka G (szlak cyklazy adenylowej, aktywacja fosfolipaz – rola jonów Ca2+ w transdukcji sygnałów u roślin), receptory katalityczne, synergizm szlaków sygnałowych, rola H2O2 i NOx jako wtórnych przekaźników informacji

16-17. Receptory czynników środowiskowych u roślin (fotoreceptory, sygnały redoksowe u roślin, percepcja temperatury, percepcja kierunku sił pola grawitacyjnego, percepcja obecności/braku wody, odbiór bodźców mechanicznych)

18-21. Molekularne podstawy działania hormonów roślinnych (receptory i elementy szlaków sygnałowych, ekspresja genów wczesnych i późnych)

22-23. Regulacja ekspresji genów w procesach wzrostu i rozwoju (kontrola i inicjacja kwitnienia, rola komunikacji międzykomórkowej w procesach rozwojowych, genetyczna kontrola organogenezy kwiatu)

24. Molekularne podstawy regulacji aktywności fotosyntetycznej roślin (endogenna oraz środowiskowa kontrola ekspresji genów kodujących białka aparatu fotosyntetycznego i białka ochronne)

25. Wpływ dostępności azotu na aktywność fotosyntetyczną roślin (regulacja ekspresji genów związanych z przyswajaniem azotu; rola metabolizmu aminokwasów w regulacji aktywności genów fotosyntetycznych oraz regulacji intensywności fotosyntezy)

26 - 29. Molekularne podstawy odpowiedzi roślin na niekorzystne, abiotyczne czynniki środowiska oraz możliwości ich poprawy na drodze inżynierii genetycznej i unowocześniania metod selekcji (odporność na niskie temperatury, odporność na suszę, odporność na zalewanie)

30. Postęp metod i wiedzy z dziedziny biologii molekularnej - potrzeba ciągłego aktualizowania wiedzy

Szczegółowy harmonogram ćwiczeń:

Wszystkie ćwiczenia mają charakter laboratoryjny i w ich trakcie studenci samodzielnie wykonują poszczególne etapy zastosowanych metod. Z tych też względów większość z nich odbywają się one w formie zblokowanej.

1-4. Izolacja genomowego roślinnego DNA z wykorzystaniem DNA-reagent

5-7. Łańcuchowa reakcja polimerazy (PCR). Przypomnienie zagadnień związanych z replikacją DNA. PCR - mechanizm reakcji, charakterystyka etapów, wydajność, substraty. Twórca, historia powstania, wykorzystanie

8-11. Elektroforeza. Rodzaje elektroforezy, rodzaje agarozy, czynniki wpływające na szybkość migracji. Enzymy restrykcyjne

12-15. Trawienie DNA enzymami restrykcyjnymi (EcoRI, HindIII). Klonowanie, wektory do klonowania

16-19. RT-PCR. Zasada metody, wykorzystanie. Elektroforeza - rozdział produktów trawienia restrykcyjnego

20-23. Elektroforeza produktów RT-PCR. Hybrydyzacja I. Hybrydyzacja metodą Southern blotting – demonstracja

24-27. Hybrydyzacja na membranach – rodzaje. Hybrydyzacja in situ.

28. Wykorzystanie technik molekularnych.

29-30. Metody elektroforezy białek. Identyfikacja frakcji białkowych.

Statystyka przedmiotu:

1. Liczba godzin oraz punktów ECTS - przedmiot obowiązkowy Godziny: -; ECTS: -

2. Liczba godzin oraz punktów ECTS - przedmiot do wyboru Godziny: 125; ECTS: 5

3. Łączna liczba godzin oraz punktów ECTS, którą student uzyskuje poprzez bezpośredni kontakt z nauczycielem

akademickim (wykłady, ćwiczenia, seminaria....) Godziny: 75; ECTS: 3

4. Łączna liczba godzin oraz punktów ECTS, którą student uzyskuje na zajęciach praktycznych np. laboratoryjne,

projektowe, terenowe, warsztaty Godziny: 15; ECTS: 0,6

5. Przewidywany nakład pracy własnej (bez udziału prowadzącego lub z udziałem w ramach konsultacji) konieczny do

realizacji zadań programowych przedmiotu. Godziny: 50; ECTS: 2

Brown T.A., „Genomy” Red. Piotr Węgleński, PWN 2001.

Lack A.J., Evans D.E.,. Biologia roślin. Krótkie wykłady. PWN. Warszawa 2003.

Malepszy S., (red). Biotechnologia roślin. PWN. Warszawa 2010.

Turner P., McLennan A., Bates A., White M. Biologia molekularna - krótkie wykłady, PWN, 2004.

Turner P.C. i inni, „Biologia molekularna – krótkie wykłady”, PWN, 2006.

Węgleński P., 1995, Genetyka molekularna. PWN

wiedza:

1. Rozumie podstawowe mechanizmy molekularne zachodzące w komórkach organizmów prokariotycznych i eukariotycznych oraz zasady ich regulacji na poziomie DNA, RNA i białek.

2. Opisuje podstawowe pojęcia, metody i efekty technik molekularnych

3. Potrafi wymienić i scharakteryzować etapy izolacji roślinnego DNA i RNA, opisać mechanizm reakcji PCR i jego znaczenia dla rozwoju technik biologii molekularnej.

4. Wie jak wykorzystać techniki biologii molekularnej w diagnostyce i selekcji roślin.

5. Wskazuje przykłady wykorzystania wiedzy z zakresu biologii molekularnej w hodowli roślin

6. Proponuje praktyczne możliwości wykorzystania wiedzy o funkcjach i mechanizmach regulacji ekspresji genów związanych z reakcjami na czynniki środowiska u roślin

umiejętności:

1. Zna sposoby izolacji roślinnego DNA i RNA

2. Potrafi obsługiwać podstawowy drobny sprzęt laboratoryjny (pipety automatyczne, worteks, wirówki itp.) oraz aparaturę stosowaną w laboratoriach biologii molekularnej (termocykler, aparaty do elektroforezy, system archiwizacji obrazu)

3. Ustala warunki reakcji PCR (ustalanie temperatury asocjacji starterów do PCR), przygotowuje roztwory reakcyjne

kompetencje społeczne:

1. Organizuje pracę w zespole w celu wykonania określonego zadania

2. Postrzega relacje pomiędzy postępem technologicznym (techniki molekularne, inżynieria genetyczna) i jego wykorzystaniem w hodowli roślin a postępem biologicznym w produkcji roślinnej, rozumie konieczność ciągłego dokształcania się wynikającą z postępu technologicznego (stosownie nowoczesnych metod)

3. Rozumie potrzebę ustawicznego podnoszenia kwalifikacji

Oceny formujące (ćwiczenia)

1. Oceny za wykonanie oraz organizacje określonego zadania (ustalanie składników reakcyjnych w zależności od liczebności grupy, ustalenie temperatury asocjacji dla rożnych sekwencji starterów).

2. Oceny z kolokwiów (pytania testowe oraz otwarte, rozwiązywanie zadań obliczeniowych).

Ćwiczenia 2 kolokwia - test jednokrotnego wyboru, otwarte pytania oraz zadania

1. Ocena niedostateczna (2,0): wystawiana jest wtedy, jeśli w zakresie co najmniej jednej z trzech składowych (W,

U lub K) przedmiotowych efektów kształcenia student uzyska mniej niż 50% obowiązujących efektów dla danej

składowej.

2. Ocena dostateczna (3,0): wystawiana jest wtedy, jeśli w zakresie każdej z trzech składowych (W, U lub K)

efektów kształcenia student uzyska przynajmniej 50% obowiązujących efektów dla danej składowej.

3. Ocena ponad dostateczna (3,5): wystawiana jest na podstawie średniej arytmetycznej z trzech składowych (W, U

lub K) efektów kształcenia (średnio 61-70%).

4. Podobny sposób obliczania ocen jak przedstawiony w pkt. 3 przyjęto dla ocen dobrej (4,0 - średnio 71-80%),

ponad dobrej (4,5 - średnio 81-90%) i bardzo dobrej (5,0 - średnio >90%).

UWAGA: Prowadzący zajęcia, na podstawie stopnia opanowania przez studenta obowiązujących treści programowych

danego przedmiotu, w oparciu o własne doświadczenie dydaktyczne, formułuje ocenę, posługując się podanymi wyżej

kryteriami formalnymi.