Программа курса по дополнительному образованию "Биоинформатика: компетенции будущего"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя школа № 36 имени Гавриила Романовича Державина»

СОГЛАСОВАНО	УТВЕРЖДЕНО
Протокол заседания методического объединения от28.05.2018       №5	Приказом директора        МАОУ «Школа №36»  от01.06.2018  №325 /18-ОД

ПРОГРАММА КУРСА ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БИОИНФОРМАТИКА: КОМПЕТЕНЦИИ БУДУЩЕГО»

Количество часов:35                                                                              

                                                              Составитель программы

                                                       Никуличева Наталья

                                                       Евгеньевна, учитель биологии

                                                       МАОУ «Школа №36»

Великий Новгород

2018 - 2019 учебный год

Пояснительная записка

В условиях реализации одной из основных целей современного отечественного образования - обеспечение «глобальной конкурентоспособности российского образования, вхождение  Российской Федерации в число десяти  ведущих стран мира по качеству общего образования»  актуализируется вопрос о приобщении учащихся  к инновационной, практико-ориентированной деятельности в сфере информационных технологий, развитии у них  творческих, интеллектуальных способностей, удовлетворении индивидуальных потребностей, организации свободного времени. Программа «Биоинформатика: компетенции будущего» направлена на достижение  данной цели и реализуется на базе структурного подразделения  МАОУ «Средняя школа №36 имени Гавриила Романовича Державина» - «IT-CUBE». Программа разработана в соответствии с требованиями Федерального закона от 29 декабря 2012 года № 273- ФЗ «Об образовании в Российской Федерации», приказа Министерства образования и науки Российской Федерации от 29 августа 2013 года № 1008 «Об утверждении Порядка организации и осуществления образовательной деятельности по дополнительным общеобразовательным программам»,  соответствует нормам санитарно-эпидемиологических требований к учреждениям дополнительного образования детей СанПин 2.4.4. 1251-03. Программа «Биоинформатика: компетенции будущего» основывается на положениях Федерального государственного образовательного стандарта основного общего  образования (Приказ Министерства образования и науки РФ от 17 декабря 2010 г. N 1897),  и среднего общего образования  (Приказ Министерства образования и науки РФ от 17 мая 2012 г. N 413),   и  предназначена для обучающихся 14-18 лет. В соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации программой предусмотрено обучение и воспитание обучающихся с ограниченными возможностями здоровья, а также обучающихся, находящихся в социально сложной или иной трудной жизненной ситуации. Содержание программы способствует развитию творческих способностей детей, формированию и развитию информационно-компьютерных компетенций, развитию навыков soft skills (решать проблемы, уметь взаимодействовать  в команде, критически мыслить, вести диалог). Направленность дополнительной общеобразовательной программы - естественнонаучная. В процессе изучения обучающиеся познакомятся с возможностями использования информационных технологий для анализа  геномов, генетических последовательностей,  выделения и исследования молекул биополимеров- ДНК, РНК и белков; проводить реконструкцию и пространственное моделирование биомолекул; осуществлять теоретический и компьютерный анализ структурной и функциональной  организации геномов и белков;  работать с базами данных.  Новизна программы заключается в использовании: современных информационных технологий для работы  с большими массивами данных, позволяющих исследовать и моделировать различные биологические объекты и системы. Программа адаптирована для старшего возраста обучающихся, собирающихся осуществлять исследовательскую, проектную и инженерную деятельность. Актуальность  программы продиктована развитием современных биологических, медицинских и инженерных технологий. Педагогическая целесообразность программы - ориентация детей на IT-творчество, совершенствование умений проектирования, исследования, решения интеллектуальных задач, профессионального  самоопределения и профориентации.

Цель программы: создание условий для развития творческих и технических способностей обучающихся через использование информационных технологий, специализированных  программ и лабораторного оборудования  для исследования и моделирования биологических систем молекулярного уровня.

 Задачи программы:

 - способствовать формированию знаний обучающихся об истории развития и  современных достижениях отечественной и мировой науки и  техники, ее создателях в области биоинформационных и биотехнологических направлений;

- формировать целостную научную картину мира; - изучить приемы и технологии исследования и моделирования биологических систем

- прививать интерес к знаниям;

- развивать у обучающихся техническое мышление, изобретательность, образное и пространственное мышление;

 - формировать учебную мотивацию и мотивацию к творческому поиску;  развивать волю, терпение, самоконтроль, внимание, память, фантазию; развивать способности осознанно ставить перед собой конкретные задачи и добиваться их выполнения;

 - стимулировать познавательную активность обучающихся посредством включения их в различные виды конкурсной деятельности; - формировать ключевые компетенции обучающихся, востребованные современным уровнем развития общества;

- воспитывать дисциплинированность, ответственность, самоорганизацию; трудолюбие, уважение к труду; чувство коллективизма и взаимопомощи; способствовать раскрытию внутреннего мира обучающихся;

- формировать новаторское отношение ко всем сферам жизнедеятельности человека;

 - воспитывать самостоятельность в приобретении дополнительных знаний и умений;

-воспитывать чувство патриотизма, гражданственности, гордости за достижения отечественной науки и техники.

Принципы реализации программы:  системность, целостность, объективность, научность, доступность для обучающихся, реалистичность, практическая направленность; комплексность,  сочетание педагогического руководства с развитием активности, самостоятельности и инициативы учащихся; учет возрастных и индивидуальных особенностей обучающихся.

Формы реализации программы. Дополнительная общеобразовательная программа «Биоинформатика: компетенции будущего» реализуется в очной форме. Занятия проводятся на базе «IT-«CUBE» в группах(командах). Возможна организация образовательного процесса по индивидуальному учебному плану. В содержание программы включены  компетенции, ориентирующие обучающихся на участие в олимпиаде НТИ (национальная технологическая инициатива), дающие возможность участвовать  в ней на разных этапах по профилю «Инженерные биологические системы» и  подпрофилю «Геномное редактирование».

В ходе реализации программы применяются различные образовательные технологии, в том числе дистанционные, электронное обучение; предпочтение отдается активным формам и методам обучения (экскурсии на  специализированные производственные площадки и в профильные организации, подготовка и защита творческих проектов, интеллектуальные игры, круглые столы, хакатоны и т.д.). Наряду с этим осуществляются и традиционные формы образовательной деятельности (эвристическая беседа, лекции, практические работы и т.д.).

Уровень программы: продвинутый. Сроки реализации: 1 год, программа рассчитана на  35  часов.

Формы оценки результативности: - защита творческих проектов обучающихся; участие в региональных, всероссийских, международных региональных конкурсах;  публикации обучающихся;  мониторинг учебных достижений обучающихся; отчеты по практическим, экспериментальным работам обучающихся;  защита исследовательских работ.

Прогнозируемый результат освоения дополнительной общеобразовательной программы «Биоинформатика:  компетенции будущего»  обучающиеся

должны знать: основные понятия биоинформатики и   специфические особенности биоинформационных данных,  компьютерные программы и языки программирования. Информационный архив (геном), принципы хранения и передачи генетической информации. Принципы выравнивания азотистых оснований ДНК.  Анализ геномов (иерархическое представление), размеры геномов. Картографирование геномов (хромосомные карты), ДНК-маркеры. Проблемы анализа геномов. Локализация генов в геноме. Секвенирование. Структура белков. Диагностика болезней и риска заболевания. Проблемы расшифровки белковых структур. Знакомство с программами предсказания, белков по химическим и физическим свойствам аминокислот. Проблемы в предсказании функций белков.
Медицинская геномика  и  фармогенетика. Генная диагностика и генотерапия. Биологические модели генетических заболеваний. Иммуноинформатика. Строение ДНК, геном прокариот – кольцевая ДНК и плазмиды. Ферменты, ферменты метаболизма ДНК. Электрофорез (принципы разделения веществ в электрическом поле). Расчет реакционных смесей для получения нескольких фрагментов ДНК разной длины при использовании различных комбинаций ферментов рестрикции. Проведение рестрикции плазмидной ДНК и разделение фрагментов в агарозном геле. Принципы построения рестрикционной карты плазмидной ДНК. Ферменты, ферменты метаболизма ДНК. Репликация, принципы репликации, ферменты репликации ДНК, кофакторы, субстраты ДНК-полимеразы. Принципы ПЦР, принципы ПЦР-анализа.  Дизайн праймеров.

должны уметь: объяснять роль биоинформатики в формировании естественно научной картины мира;
применять термины в представлении докладов, дискуссии публичных выступлениях; находить информацию в различных источниках (учебных текстах, справочниках, научно-популярных изданиях, компьютерных базах данных, ресурсах Интернет) и критически ее оценивать;
Использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности.
Работать с  программой  SnapGene Viewer для анализа структуры плазмидной ДНК, сайтов рестрикции в последовательности ДНК, работать  с базами данных NCBI, поиском последовательностей генов, дизайном праймеров, картированию продуктов ПЦР на геном человека. Расчитывать  реакционные смеси для проведения ПЦР, программировать амплификатор, проводить ПЦР, разделять продукты ПЦР в агарозном геле. Планировать, проводить эксперимент, анализировать экспериментальные данные, интерпретировать  результаты эксперимента.

Содержание программы

Модуль  I «Введение в теорию биоинформатики» (5 часов)

Интеграция  наук биологии, информатики и математики в единую дисциплину. Предмет биоинформатика. История возникновения и развитие биоинформатики. Специфические особенности биоинформационных данных. Цели и задачи биоинформатики. Значение. Биоинформатики.
Информационно-компьютерные компоненты биотехнологии. Компьютерные программы и языки программирования. IBION- машинонезависимая законченная система биоинформатики. Основные интернет-компоненты биоинформатики. Биоинформационные данные, сети и базы.
Биологические последовательности. Информационный архив (геном), принципы хранения информации. Принципы выравнивания азотистых оснований на молекуле ДНК. Точечные матрицы сходств выявляющих родство организмов. Принципы классификации живых организмов его значение. Ветвления. Биоинформационный анализ как один из методов выявления филогенетического родства организмов.
Медицинская геномика и фармогенетика, иммуногенетика. Генная диагностика и генотерапия. Биологические модели генетических заболеваний.

Модуль II «Лабораторно-технологический»  (10 часов)

Строение ДНК, геном прокариот – кольцевая ДНК и плазмиды. Ферменты, ферменты метаболизма ДНК. Электрофорез (принципы разделения веществ в электрическом поле). Расчет реакционных смесей для получения нескольких фрагментов ДНК разной длины при использовании различных комбинаций ферментов рестрикции. Проведение рестрикции плазмидной ДНК и разделение фрагментов в агарозном геле. Принципы построения рестрикционной карты плазмидной ДНК. Ферменты, ферменты метаболизма ДНК. Репликация, принципы репликации, ферменты репликации ДНК, кофакторы, субстраты ДНК-полимеразы. Принципы ПЦР, принципы ПЦР-анализа.  Дизайн праймеров. Геномика. Анализ геномов (иерархическое представление), размеры геномов.Картографирование геномов (хромосомные карты), ДНК-маркеры. Проблемы анализа геномов. Локализация генов в геноме. Секвенирование. Структура белков. Биоинформатика в медицине. Диагностика болезни и риска заболевания. 

Модуль III «Информационно-технологический» (10 часов)

Проблемы расшифровки белковых структур. Знакомство с программами предсказания, белков по химическим и физическим свойствам аминокислот. Проблемы в предсказании функции белка.
Гомологичные белки. Ортологичные, паралогичные белки, выявляющие генеалогические (эволюционные) связи особей. Филогенетические исследования, выявление взаимосвязей между видами, популяциями.
Методы биоинформатики.  Их возможности накапливать и интегрировать в банки данных экспериментальную информацию; осуществлять ее компьютерный анализ; проводить математическое моделирование структурно-функциональной организации живых систем;
предсказывать новые свойства живых систем;
на этой основе планировать новые этапы экспериментальных исследований.

Базы и банки данных, базовых пакетов, программных средств для полного анализа макромолекулв по биоинформатике с их адресами в Интернете:

GenBank – http://www.ncbi.nlm.nih.gov/GenBank - банк данных по нуклеотидным последовательностям
(3400000000 пар оснований в 461000 последовательностей).
SWISS-PROT – http://www.expasy.ch/sprot/sprot-top.htm - аннотированный банк данных по аминокислотным последовательностям белков.
PIR – http://www.nbrf.georgetown.edu/pir/searchdb.html - аннотированный банк данных по аминокислотным последовательностям белков, организованных в соответствии с гомологией и таксономией.
PDB – http://www.rcsb.org/pdb/  - банк данных по 3D структуре биологических макромолекул.
NDB – http://ndbserver.rutgers.edu - банк данных по нуклеиновым кислотам. Включает структуры ДНК иРНК вместе с их 3-хмерными изображениями.Структуры хранятся в формате «pdb» и могут быть визуализированы программой RasMol(www.rasmol.org) .
ProDom – http://protein.toulouse.inra.fr/prodom.html  - банк данных по доменам белков.

NCBI - www.ncbi.ntm.nih.gov - крупнейший биоинформатический  веб-сайт, предоставляющий доступ к базам данных белковых и нуклеотидных последовательностей, экспрессии генов, мутаций, эволюции генных семейств. Выбор конкретной базы осуществляется  в поле «Search».
EMBL-EBI  - www.ebi.ac.uk- веб-сайт Европейского биоинформатического института, содержащий широкий круг баз данных аналогичный  NCBI. Помимо баз данных сайт предоставляет доступ  к наиболее популярным биоинформатическим программам для анализа данных (BLAST, ClustalW, Muscle, GeneWise).

PubMed- www.pubmed.org – крупнейшая база данных научных публикаций по биологии и медицине. Для всех статей  доступны открытые аннотации.

GeneCards – www.genecards.org – содержит краткое описание всех известных генов человеческого организма, их названия по разным номенклатурам, последовательности, хромосомную локализацию, особенности устройства, список тканей, в которых конкретные гены активны.

International Hap Map Project – www.hapmap.org –база данных международного проекта по обнаружению распространённых мутаций(полиморфизмов) в человеческом геноме.

Web-серверы, предоставляющие пользователю генетическую информа-
цию, оснащены комплексом программных средств для поиска информации в банках данных и анализа нуклеотидных и аминокислотных последовательностей. В качестве запросов при поиске последовательностей в банках данных могут использоваться номенклатурные названия генов, организмов, ключевые слова и др.
В качестве примера предложим программу Auto Dok, которая является
программой для автоматического докинга. С ее помощью можно посмотреть, как молекулы лекарств или кандидатов на роль лекарств взаимодействуют в известной 3D-структуре. В частности, программа применяется для разработки лекарств, специфически связывающихся с тем или иным белком.Здесь же приведем примеры основных программ сравнения аминокислотных и нуклеотидных последовательностей.
ACT – (Artemis Comparison Tool) – геномный анализ;
Arlequin – анализ популяционно-генетических данных;
Bio Edit – редактор множественного выравнивания аминокислотных и
нуклеотидных последовательностей; 
Bio Numerics – коммерческий универсальный пакет программ по биоинформатике;
BLAST – поиск родственных последовательностей в базе данных аминокислотных и нуклеотидных последовательностей;
ClustaIW – множественное выравнивание аминокислотных и нуклеотидных последовательностей;
FASTA – набор алгоритмов определения схожести аминокислотных и
нуклеотидных последовательностей;
Mesquite – программа для сравнительной биологии на языке Java;
Muscle – множественное сравнение аминокислотных и нуклеотидных
последовательностей. Более быстрая и точная программа в сравнении ClustaIW;
Pop Gene – анализ генетического разнообразия популяций;
Populations – популяционно-генетический анализ.
Примером интегрированного инструмента биолога является также
Unipro UGENE. Это свободно распространяемое программное обеспечение
для работы молекулярного биолога. Пользовательский интерфейс этого
продукта обеспечивает: простую и удобную работу с последовательностями; визуализацию хроматограмм; использование редактора множественного выравнивания последовательностей; просмотр трехмерных моделей PDB и MMDB с поддержкой стереорежима; просмотр филогенетических деревьев; применение конструктора вычислительных схем, автоматизирующего
процесс  анализа; поддержку сохранения изображений в векторные форматы для удобства публикаций.

ChemSketch-  программа позволяет легко и быстро рисовать сложные химические формулы –  http://www.aediabs.com//download/

RasMol – программа для визуализации молекул  белков и нуклеиновых кислот - http://rasmolLorg/RasWin_Latest_Instalier/exe  

 Ряд оригинальных компьютерных программ, баз и банков данных, созданных российскими учеными, можно также найти по разным поисковикам на других многочисленных сайтах по биоинформатике.


Модуль IV «Проектно-исследовательский» (10 часов  предусмотрены на консультации)-сквозной. Осуществляется в течение всего года и включает индивидуальную и командную работу в течение всего года.

Учебно-методические пособия

1.     Огурцов А.Н., Основы биоинформатики: учеб.пособие [текст]/ А.Н.Огурцов.- Х.: НТУ «ХПИ»,2013. 400с

2.     Несговорова Г.П. Биоинформатика: пути развития и перспективы С.71-86

3.      Олимпиада НТИ -  режим доступа: http://nti-contest.ru/profiles/biotech/

4.     Ивлиев А.Е., Попова Н.В., Чистяков Д.В., Сергеева М.Г.Проблемы современной биологии (биоинформатика- первые шаги). Учеб. Метод. пособие. М.ЦРИДУ, Зимородок,2008 – 56с.