Prehľad témy

  • Všeobecné

  • OGÓLNE

    • ĆWICZENIA

      •  1: Wprowadzenie do bioinformatyki i analiza obiektu badań – SARS-CoV-2 (3h)

        Cel zajęć: Poznananie baz danych genomowych oraz pobieranie i podstawowa analiza sekwencji genomu SARS-CoV-2.


        Ten blok tematyczny stanowi wprowadzenie do wykorzystania bioinformatyki w analizie genomów wirusowych ze szczególnym uwzględnieniem SARS-CoV-2. Głównym celem dydaktycznym jest zapoznanie studentów ze strukturą i organizacją repozytoriów danych biologicznych, takich jak NCBI GenBank, GISAID czy UniProt, oraz wykształcenie umiejętności sprawnego wyszukiwania, filtrowania i pobierania sekwencji nukleotydowych oraz aminokwasowych. Pozyskanie i zrozumienie budowy genomu referencyjnego, w tym identyfikacja kluczowych otwartych ramek odczytu (ORF) oraz białek strukturalnych i enzymatycznych, jest niezbędne do dalszych analiz funkcjonalnych i ewolucyjnych. Studenci opanują również pracę z podstawowym formatem FASTA, co stanowi fundament pod samodzielną obróbkę danych sekwencyjnych.


        Zagadnienia:

        Przegląd biologicznych baz danych: NCBI (GenBank), GISAID, UniProt.

        Wyszukiwanie i pobieranie sekwencji nukleotydowych oraz aminokwasowych wirusa SARS-CoV-2.

        Struktura genomu SARS-CoV-2: identyfikacja otwartych ramek odczytu (ORF), białka strukturalne (S, N, M, E) oraz polimeraza RNA (RdRp).

        Format FASTA i operowanie na plikach sekwencyjnych.

        Ćwiczenia praktyczne:

        Pobranie referencyjnego genomu SARS-CoV-2 (NC_045512.2) z bazy NCBI.

        Ekstrakcja sekwencji genu kodującego białko szczytowe (Spike) dla różnych wariantów wirusa.


         2: Analiza podobieństwa sekwencji (Sequence Alignment) (3h)

        Cel zajęć: Opanowanie narzędzi do przyrównywania sekwencji (lokalnego i globalnego) oraz interpretacja wyników.


        Przyrównywanie sekwencji (sequence alignment) jest jedną z najważniejszych metod bioinformatycznych, pozwalającą na badanie homologii, funkcji biologicznej oraz zmienności genetycznej. W ramach tego bloku uczniowie poznają teoretyczne podstawy i różnice między algorytmami lokalnymi (Smith-Waterman, BLAST) a globalnymi (Needleman-Wunsch), a także mechanizmy działania macierzy zamienności (BLOSUM, PAM) i kar za przerwy w przyrównaniu. Zajęcia ugruntowują praktyczną umiejętność prowadzenia wyszukiwań homologicznych oraz tworzenia wielokrotnych przyrównań sekwencji (MSA) z użyciem narządzi takich jak Clustal Omega czy MAFFT. Celem jest wykształcenie zdolności interpretacji parametrów statystycznych (m.in. E-value, Identity, Coverage) oraz wykrywania mutacji punktowych, co pozwala na zrozumienie dynamiki powstawania nowych wariantów wirusa.


        Zagadnienia:

        Przyrównywanie parosekwencyjne (Pairwise Alignment): algorytmy Smitha-Watermana i Needlemana-Wunscha.

        Narzędzia rodziny BLAST (BLASTn, BLASTp) – wyszukiwanie sekwencji homologicznych.

        Przyrównywanie wielosekwencyjne (Multiple Sequence Alignment - MSA): Clustal Omega, MUSCLE, MAFFT.

        Interpretacja parametrów: Identity, Coverage, E-value, macierze zamienności (BLOSUM62, PAM250).

        Ćwiczenia praktyczne:

        Wyszukiwanie sekwencji homologicznych białka S w bazie NCBI przy użyciu BLASTp.

        Wykonanie wielokrotnego przyrównania sekwencji genu białka S dla wariantów Alfa, Delta i Omikron w programie Clustal Omega i analiza mutacji punktowych.


         3: Generowanie i analiza drzew filogenetycznych (3h)

        Cel zajęć: Zrozumienie relacji ewolucyjnych oraz umiejętność tworzenia i interpretacji drzew filogenetycznych.


        Celem tego modułu jest zaznajomienie studentów z metodami wnioskowania filogenetycznego, które odgrywają kluczową rolę w śledzeniu ewolucji mikroorganizmów, epidemiologii molekularnej oraz badaniu pochodzenia patogenów. Podczas zajęć uczestnicy poznają pojęcia teoretyczne związane z budową drzew filogenetycznych (węzły, taksony, ukorzenienie, długość gałęzi) oraz opanują zróżnicowane algorytmy rekonstrukcji – od metod dystansowych (Neighbor-Joining), po zaawansowane metody probabilistyczne (Maximum Likelihood). Ważnym elementem dydaktycznym jest nauka walidacji i oceny wiarygodności uzyskanych drzew za pomocą analizy Bootstrap. Praca z dedykowanym oprogramowaniem (MEGA, FigTree) umożliwia nabycie praktycznych umiejętności w zakresie przygotowywania macierzy sekwencji, generowania topologii oraz wizualizacji i adnotacji wyników do celów naukowych.


        Zagadnienia:

        Podstawowe pojęcia filogenetyki: drzewa ukorzenione i nieukorzenione, taksony, węzły, długości gałęzi.

        Metody rekonstrukcji drzew filogenetycznych:

        Metody dystansowe: UPGMA, Neighbor-Joining (NJ).

        Metody statystyczne: Maximum Likelihood (ML).

        Ocena wiarygodności drzewa: analiza Bootstrap.

        Oprogramowanie do filogenetyki i wizualizacji: MEGA (Molecular Evolutionary Genetics Analysis), FigTree.

        Ćwiczenia praktyczne:

        Przygotowanie macierzy sekwencji SARS-CoV-2 oraz pokrewnych koronawirusów (np. RaTG13, SARS-CoV-1).

        Wygenerowanie drzewa filogenetycznego metodą Neighbor-Joining oraz Maximum Likelihood w programie MEGA.

        Adnotacja i wizualizacja drzewa filogenetycznego.


         4: Analiza i wizualizacja układu DNA – białko w procesach restrykcji i ligacji DNA (3h)

        Cel zajęć: Inżynieria genetyczna in silico – analiza miejsc cięcia enzymów restrykcyjnych, symulacja ligacji oraz wizualizacja 3D oddziaływań nukleinowo-białkowych.


        Moduł ten łączy zagadnienia inżynierii genetycznej z zaawansowaną wizualizacją i analizą structuralną in silico. Głównym założeniem jest przedstawienie cyfrowego planowania procedur biologii molekularnej, takich jak trawienie enzymami restrykcyjnymi, mapowanie restrykcyjne oraz klonowanie fragmentów genetycznych do wektorów ekspresyjnych. Dodatkowo zajęcia rozszerzają perspektywę o trójwymiarową strukturę przestrzenną kompleksów makromolekularnych (DNA-białko, RNA-białko), wykorzystując bazy danych PDB oraz programy do renderowania grafiki 3D (PyMOL, Chimera). Celem dydaktycznym jest wykształcenie umiejętności przestrzennej analizy oddziaływań międzycząsteczkowych, wiązań i dopasowania konformacyjnego, co ułatwia zrozumienie mechanizmów molekularnych leżących u podstaw procesów enzymatycznych i rekombinacyjnych.


        Zagadnienia:

        Enzymy restrykcyjne i ich specyficzność rozpoznawania sekwencji.

        Mapowanie restrykcyjne i symulacja klonowania in silico (SnapGene Viewer / NEBcutter / Benchling).

        Symulacja procesów trawienia restrykcyjnego oraz ligacji DNA (wstawianie fragmentów genomu SARS-CoV-2 do wektora plazmidowego).

        Struktura przestrzenna i wizualizacja 3D kompleksów DNA–białko / RNA–białko (np. polimeraza RNA w kompleksie z matrycą nukleinową lub restryktaza/ligaza z DNA) z użyciem PyMOL / UCSF Chimera / RCSB PDB.

        Ćwiczenia praktyczne:

        Wyznaczenie miejsc cięcia enzymami restrykcyjnymi w wybranym fragmencie DNA SARS-CoV-2.

        Projektowanie in silico trawienia restrykcyjnego i ligacji fragmentu z plazmidem ekspresyjnym.

        Pobranie pliku PDB struktury białka związana z DNA/RNA i wizualizacja 3D kluczowych oddziaływań w programie PyMOL lub w przeglądarce 3D RCSB PDB.


        Narzędzia:

        Cel zajęć: Zapoznanie z narzędziem Gemini Notebook oraz jego wykorzystaniem w pracy badawczej i bioinformatycznej.


        Gemini Notebook stanowi nowoczesne środowisko badawcze oparte na sztucznej inteligencji, dostosowane do pracy z własnymi źródłami wiedzy. Oficjalny dostęp do narzędzia znajduje się pod adresem https://notebook.google.com/. Platforma umożliwia wgrywanie różnorodnych typów materiałów źródłowych, takich jak pliki PDF, pliki tekstowe (np. Google Docs, TXT, Markdown), strony internetowe (adresy URL), nagrania audio oraz bezpośrednio wklejane notatki badawcze, tworząc spersonalizowany model oparty na dostarczonych danych.

        Kluczowym elementem narzędzia jest sekcja „Studio”, która oferuje zaawansowane możliwości automatycznej generacji treści. Użytkownik może w niej tworzyć m.in. podsumowania i automatyczne syntezy literatury, wyczerpujące przewodniki po materiale, plany nauki i harmonogramy pracy badawczej, pytania kontrolne oraz interaktywne podsumowania audio (Audio Overviews / audioprzewodniki w formie dyskusji dwóch spikerów AI). Wszystkie generowane odpowiedzi posiadają ścisłe odnośniki do wgranych dokumentów źródłowych, co zapewnia wysoką rzetelność i ułatwia weryfikację informacji.


        Spis odnośników:

        NCBI GenBank: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/ – Baza danych sekwencji nukleotydowych stanowiąca część Narodowego Centrum Informacji Biotechnologicznej w USA. Pomoc i dokumentacja: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/home/about/policies/ oraz poradnik NCBI Learn: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/home/learn/.

        GISAID: https://gisaid.org/ – Globalna inicjatywa naukowa zapewniająca otwarty dostęp do danych genomowych wirusów grypy oraz SARS-CoV-2. Dokumentacja i pomoc: https://gisaid.org/help/.

        UniProt: https://www.uniprot.org/ – Baza danych zawierająca obszerne informacje o sekwencjach i funkcjach biologicznych białek. Centrum pomocy i samouczki: https://www.uniprot.org/help.

        NCBI BLAST: https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/ – Narzędzie wyszukiwania lokalnego przyrównania sekwencji nukleotydowych i białkowych. Oficjalna dokumentacja i samouczek: https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/doc/blast-help/.

        Clustal Omega: https://www.ebi.ac.uk/jdispatcher/msa/clustalo – Narzędzie do prowadzenia wielokrotnego przyrównania sekwencji (MSA). Pomoc i dokumentacja EMBL-EBI: https://www.ebi.ac.uk/jdispatcher/help.

        MAFFT: https://mafft.cbrc.jp/alignment/server/ – Program do szybkiego tworzenia wielokrotnych przyrównań sekwencji nukleotydowych i aminokwasowych. Dokumentacja i instrukcje użytkownika: https://mafft.cbrc.jp/alignment/software/algorithms/algorithms.html.

        MEGA (Molecular Evolutionary Genetics Analysis): https://www.megasoftware.net/ – Pakiet oprogramowania do analizy ewolucji molekularnej oraz rekonstrukcji drzew filogenetycznych. Oficjalna pomoc i tutoriale: https://www.megasoftware.net/webhelp/hc_welcome.htm.

        FigTree: http://tree.bio.ed.ac.uk/software/figtree/ – Program do graficznej wizualizacji, edycji i adnotacji drzew filogenetycznych. Dokumentacja projektu na GitHub: https://github.com/rambaut/figtree/README.md.

        SnapGene Viewer: https://www.snapgene.com/snapgene-viewer – Oprogramowanie do planowania, wizualizacji i dokumentowania procedur biologii molekularnej oraz klonowania in silico. Poradniki i instrukcje użytkowania: https://www.snapgene.com/resources/user-guides.

        NEBcutter: https://nebcutter.neb.com/ – Narzędzie online do identyfikacji miejsc cięcia enzymów restrykcyjnych w sekwencjach DNA. Pomoc i instrukcja: https://nebcutter.neb.com/help.

        Benchling: https://www.benchling.com/ – Chmurowa platforma do projektowania eksperymentów biologii molekularnej, symulacji klonowania oraz prowadzenia cyfrowego notesu laboratoryjnego. Centrum pomocy i samouczki: https://help.benchling.com/.

        PyMOL: https://pymol.org/ – System graficzny do wizualizacji, analizy i renderowania trójwymiarowych struktur cząsteczek biologicznych. Oficjalna wiki i samouczki: https://pymolwiki.org/.

        UCSF Chimera: https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ – Program do interaktywnej wizualizacji i analizy struktur przestrzennych makrocząsteczek oraz danych gęstości elektronowej. Dokumentacja i samouczki: https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/docs/.

        RCSB PDB (Protein Data Bank): https://www.rcsb.org/ – Światowe repozytorium eksperymentalnie wyznaczonych trójwymiarowych struktur białek, kwasów nukleinowych i złożonych complexes molekularnych. Portal edukacyjny PDB-101 i samouczki: https://pdb101.rcsb.org/.


      • Sprawozdanie Zadanie

        Termin wykonania zadania: 24.11.2026r.

        Plik należy przesłać w formacie pdf.

        Plik nazwij: NR_GRUPY-NR_ALBUMU-NAZWISKO_IMIĘ.pdf
        np.:
        L1-123456-Kowalski_Jan.pdf

        Tylko tak nazwane pliki będą zaliczane na poczet wykonania zadania!

        Uwagi i zalecenia:

        • do prezentacji sekwencji używaj czcionki o stałej szerokości (FASTA format);
        • nazwy aminokwasów pisze się z dużej litery;

    • PROWADZĄCY

      Łyskowski Andrzej, dr inż.

      Jednostki: KATEDRA BIOTECHNOLOGII I BIOINFORMATYKI (CB)

      stanowisko: adiunkt w grupie pracowników badawczo-dydaktycznych

      pokój: H.237

      telefon: 17 865 1649

      Informacje ogólne:

      email: andrzej.lyskowski@prz.edu.pl


      Jaromin Marcin, mgr inż.

      Jednostki:

      KATEDRA BIOTECHNOLOGII I BIOINFORMATYKI (CB)

      stanowisko: starszy specjalista, asystent w grupie pracowników badawczo-dydaktycznych

      pokój: H.242

      telefon: 17 865 1838

      Informacje ogólne:

      email: mjaromin@prz.edu.pl