SynBioWS2019

To GitHub

Практикум по СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ: 16-27 сентября 2019, 3 курс, кафедра биоинженерии

Критерии оценки за практикум

Основная информация

Статьи для прочтения.

Расписание. План практикума

Неделя 1. 16.09 - 20.09 - Лекции и компьютерная часть практикума.

Неделя 2. 23.09 - 27.09 - экспериментальная часть практикума.

Структура практикума:

Материалы практикума

Лекции: план тем, слайды, материалы для изучения

Лекция 1. Введение в синтетическую биологию - обзорная лекция.

- определение понятия синтетическая биология/инженерная биология
- синтетическая биология как закономерный этап развития биологических наук, аналогии с развитием инженерно-технических наук
- разделение задач дизайна и реализации
- инженерные принципы: стандартизация, абстракция, автоматизация
- от программирования компьютеров к программированию живых систем: аналогии между компьютерными и биологическими технологиями
- свободное программное обеспечение и свободная биология
- синтетическая биология на разных уровнях от молекул до экосистем
- история развития синетической биологии, наиболее интересные примеры
- понятие bio-design automation
- практические успехи и перспективы, коммерциализация, iGEM
- создание искусстенных геномов, М. laboratorium, Genome-write project.
- понятие биологической детали (biological part)
- репозитории биологических деталей
- цифровая логика в биологических системах

Слайды лекции 1. Слайды лекции 1. апдейт

Материалы для изучения

Лекция 2. Основы молекулярной биологии и молекулярного клонирования.

Слайды лекций 2-3 Лекция 2

Материалы для изучения

Лекция 3. Продвинутые методы сборки ДНК: Golden Gate, Gibson, 3A BioBricks. Стандартизация биологических деталей.

Материалы для изучения

Лекция 4. Инженерный подход к биологии. Принципы инженерии. Биологические детали и “конструкторы”. Работа с набором iGEM. Стандарт SBOL.

- Закономерности развития инженерных наук, разделение дизайна и производства, понятия абстракции, стандартизации, автоматизации.
- Создание и описание сложных систем за счет иерархии абстракций.
- Понятие системной инженерии. Формальные языки описания моделей: UML, OPM, SysML.
- Закономерности на примере развития компьютерной области: цифровые технологии, как успешный пример эффективной модели абстракции; влияния интернета и глобализации на бизнес процессы.
- Биологические лаборатории в облаке.
- Биологические конструкторы.
- Понятие биологической детали. Иерархия биологических деталей.
- Уровни абстракции в биологии.
- Работа с репозиториями последовательностей ДНК. Форматы FASTA, GenBank.
- Сандарт SBOL, конвертация между SBOL и GenBank.
- Работа с репозиториями биологических деталей. Работа с репозиторием iGEM.
- Системная биология. Базы данных по системной биологии. Язык SBML.

Материалы для изучения

Лекция 5. Моделирование и математические подходы в синтетической биологии. Разные уровни описания. Уравнения химической кинетики.

- Разные уровни описания.
- Уравнения химической кинетики для моделирования процессов в клетке.
- Примеры моделировани осциллятора.
- Системы с положительной и отрицательной обратной связью, коэффициент Хилла.
- Методы моделирования Монте-Карло, решения дифференциальных уравнений и т.д.
- Передаточная функция. Шум.
- Язык SBML, база данных Biomodels.

Материалы для изучения

Лекция 6. Компьютерные и программные методы в синтетической биологии.

- Базы данных. Последовательностей, плазмид, биологических моделей.
- NCBI genbank, AddGene, SynBioHub, etc.
- Программы Benchling, SnapGene, j5, iBioSim, Cello, Matlab Simbiology, SBOL designer, DNAplotlib.

Лекция 7. Цифровая логика с помощью генетических сетей: логические вентили, переключатели, триггеры.

- Цифровая логика. Примеры из радиоинженерии. Логические вентили. NAND и NOR логика.
- Инверторы.
- Передаточная функция.
- Создание цифровой логики в биологических системах.
- Примеры переключателей, триггеров.
- Модульность и ортогональность элементов. Масштабируемость сетей. Пример TetR.
- Язык Verilog. Программа Cello.

Лекция 8. Принципы построения генетических сетей, системы с обратной связью, feed-forward loops, осцилляторы.

- Как добиться от системы быстрого ответа?
- Feed-forward loops.
- Пульс генераторы.
- Полосовые фильтры.
- Осицилляторы.
- Логика на CRISPR.

Материалы для изучения

Лекция 9. Обзор других тем: РНК сети, белковые сети, синтетический морфогенез.

- Логика и сенсоры на РНК, аптамеры, рибозимы.
- Белковые регуляторные сети. Рекомбиназы.
- Синтетический морфогенез, программируемые органоиды.

Лекция 10. Этические и юридические вопросы синтетической биологии, биобезопасность.

- Основные вехи истории (конференция Асиломар 1975 года, доклад об этике синтетической биологии 2010 года).
- Вопросы биобезопасности.
- Вопросы биоэтики. Вопросы модификации человека. Создание гибридов человек/животное.
- Патентование генетических последовательностей.
- Особенности законодательного регулирования синтетической биологии в РФ.

Материалы для изучения

Практические экспериментальные лабораторные работы

Экспериментальная лабораторная работа 1: основы трансформации бактерий, проверка компетентности клеток, оценка эффективности трансфекции (2 дня).

Цель

Научиться проводить трансфекцию плазмиды в клетку. Оценивать компетентность клеток и эффективность трансфекции, скорость наработки белка.

Краткое описание работы

Задача работы состоит в обучении студентов практическим основам трансформации бактерий. Студентам предстоит трансфицировать в бактерию плазмиду, содержащую красный флюоресцентный белок. Необходимо будет оценить эффективность трасфекции, а также скорость наработки бактериями белка.

Ожидаемые результаты

Отчет с заполненным протоколом, результатами, фотографиями, графиками, а также статистическим анализом, полученных данных.

План по дням:

Вопросы для сдачи теоретического минимума

  1. Из каких деталей состоит биологический элемент?
  2. Какие особенности несет вектор?
  3. Какие праймеры нужны, чтобы выделить элемент с плазмиды?
  4. Какими свойствами должен обладать бактериальный штамм?
  5. Как получен белок? Где произведена мутация? Каковы его спектральные характеристики? Как измерить его наработку в бактериях?

Протокол работы

http://parts.igem.org/Help:2017_Competent_Cell_Test_Kit Драфт протокола на русском

Экспериментальная лабораторная работа 2: Сборка сенсора, измерение передаточной функции. (7 дней)

Цель

Научитья собирать генетические элементы по методу 3A assembly. Создать простейший сенсор реагирующий на концентрацию IPTG экспрессией RFP, измерить передаточную функцию.

Краткое описание работы

В клетку необходимо трансфицировать две плазмиды: плазмиду с белком RFP под упарвлением промодора pLac (использовалась в работе 1) и собранную плазмиду, экспрессирующую белок LacI под управлением конститутивного промотера. Для трансфекции одновременно двух плазмид они должны нести устойчивость к разным антибиотикам: первая к хлорамфениколу, вторая к ампицилину. Для сборки второй плазмиды нужно использовать технологию сборки 3A assembly для присоединения промотера к генератору белка LacI. Для сборки конструкта используется бэкбон с резистентностью к ампициллину. После получения культуры клеток необходимо изучить зависимость концентрации RFP от IPTG.

Ожидаемые результаты

Отчет с заполненным протоколом, результатами, фотографиями, графиками, а также статистическим анализом, полученных данных.

План по дням:

Протокол работы

Состоит из рестрикции, лигирования, выращивания новых клонов на плашках, подращивания клонов в культуре, анализе влияния разных концентраций IPTG на экспрессию RFP.

Практические компьютерные лабораторные работы

Компьютерная лабораторная работа 1: Электронные лабораторные журналы. Базы данных последовательностей, плазмид, генетических элементов, биологических моделей. Визуализация данных и генетических цепей (5 дней).

Цель

Научиться работать с электронными лабораторными журналами (Benchling). Научиться работать с базами данных и репозиториями последовательностей (NCBI), плазмид (Addgene), генетических элементов (Parts Registiry, SynBioHub, JBEI). Научиться работать с форматами файлов FASTA, GenBank, SBOL. Научиться работать с программами визуализации плазмид и генетических сетей SBOL Viewer, SnapGene, j5 (частично), DNAplotlib.

Краткое описание работы

Ознакомитья с предлагаемыми программами, базами данных, форматами файлов, пройти соответсвющие тьюториалы. В качестве самостоятельное задачи предлагается следующая. Каждому студенту будет выдана ссылка на проект одной из комманд международного конкурса iGEM. Необходимо разобраться в предложенной генетической сети, создать соответвующие плазмиды в форматах SBOL и GenBank, визуализировать плазмиды и генетические сети в различных представлениях (в виде SBOL, в стиле SnapGene и в стиле DNAplotlib).

Ожидаемые результаты

Отчет в Benchling + Jypiter notebook на Github.

Подключение к серверу в этом году

Протокол работы

Шаг 1. Подключение к серверу.

Для выполнения работ создан Linux сервер с установленным программным обеспечением, который вы можете использовать. Необходимо научиться подключаться к нему с помощью клиента X2Go (адрес, логин, пароль будет предоставлены). Видео инструкции по подключению здесь.

Шаг 2. Освоение работы с Benchling.

  1. Зарегистрировать на сайте Benchling, желательно под email-ом в домене msu.ru
  2. Запросить вступление в организацию SynBioWS2019
  3. Ознакомиться с работой Benchling по тьюториалам
  4. Создать свой проект в организации SynBioWS2018 под названием ПК1: Имя Фамилия (см. имеющийся там пример)

Краткая видео инструкция здесь.

Шаг 3. Освоение работы с базами данных GenBank, Addgene, Parts Registry, JBEI, SynBioHub.

Предлагается ознакомиться со следующими базами данных, а также с поиском по ним. Начать можно с видео инструкций и далее провести самостоятельное изучение.

Шаг 4. Освоение работы с форматами файлов FASTA, GenBank, SBOL, конвертация файлов с помощью j5.

Изучите описания форматов:

Видео комментарий здесь.

Шаг 5. Освоение работы с программами SnapGene, SBOL designer.

Видео комментарий здесь.

Шаг 6. Освоение работы с репозиторием кода GitHub, Jypiter Notebook и MyBinder.

Шаг 7. Освоение работы с библиотекой DNAplotlib на языке Python.

Видео комментарий здесь.

Шаг 8. Выполнение самостоятельного проекта.

Каждому студенту будет выдана ссылка на проект одной из комманд международного конкурса iGEM. Необходимо разобраться в предложенной генетической сети, создать соответвующие плазмиды в форматах SBOL и GenBank, визуализировать плазмиды и генетические сети в различных представлениях (в виде SBOL, в стиле SnapGene и в стиле DNAplotlib).

Видео комментарий здесь.

Компьютерная лабораторная работа 2: проектирование и моделирование регуляторных генетических сетей (5 дней).

Цель

Научиться моделированию биологических процессов методами химической кинетики, составлять принципиальные схемы биологических процессов. Научиться использовать методы design automation (j5, Cello). Научиться искать константы реакций в базах данных биологических моделей (BioModels.).

Краткое описание работы

j5 - BioCAD для создания протоколов сборки многокомпонентных генно-инженерных конструкций

j5 использует несколько алгоритмов для подбора пути синтеза генетической сети. При этом учитываются:

Инструмент состоит из трех частей:

Для работы с этими инструментами нужно зарегистрироваться.

Vector Editor

Веб-приложения для работы с последовательностями. Можно загружать файлы в формате GeneBank, SBOL, Fasta и редактировать. Удобно использовать для импорта последовательности в Device Editor и просмотра результатов работы j5.

Device Editor

Веб-приложение для дизайна генетический сетей, вспомогательный инструмент для работы с j5.

Последовательность работы с Device Editor (на примере синтеза репортерной плазмиды из системы репрессилятор):

1) Создайте колонки для каждого типа используемых элементов (промотор, CDS, терминатор и т.д.). В примере: backbone, RBS и CDS (реально j5 можно использовать для создания протоклов сборки многокомпонентных генетических сетей). Выберете обозначения элементов SBOL. Для создания новой колонки в таблице справа выберете Add Column и введите название. Видео 2) Создайте ячейки для каждого элемента. Для плазмиды из примера: backbone, RBS, gfp-aav. Импортируйте все последовательности (можно сделать несколькими способами: скопировать и вставить из Vector Editor, импортировать из файла или вставить последовательность нуклеотидов). 3) Создайте правила для сборки: определите порядок элементов в сети. Для этого выберете каждый элемент и создайте правило в таблице справа. Видео 4) Сгенерируйте файлы для запуска j5. Вам потребуется: * j5 sequence file * j5 target parts file * j5 parts file * j5 Eugene rules file * j5 parameters file * Master plasmids list file - укажите “сгенерировать пустой” * Master oligos list file - укажите “сгенерировать пустой” * Master direct syntheses list file - укажите “сгенерировать пустой”

j5

Для работы j5 принимает несколько файлов:

Загрузите все файлы, сгенерированные Device Editor и запустите j5. Скачиваем результат, распаковываем архив. Чтобы открыть файл с протоколом, откройте пустой документ Excel, выберете “Данные”, формат CSV.

Подробную информацию о работе j5 (в том числе о методах сборки) можно прочитать в инструкции.

Теория для предварительного изучения

Протокол работы

Полезные материалы для самостоятельного изучения

Видео

Плейлист

Книги

http://www.hup.harvard.edu/catalog.php?isbn=9780674060159

http://www.regenesisthebook.com

Учебные курсы

https://www.edx.org/course/principles-synthetic-biology-mitx-20-305x-0

Оригинальные статьи и отчеты

См. публичную группу в SynBioPapers в Mendeley.

Научпоп статьи

https://biomolecula.ru/articles/molekuliarnoe-klonirovanie-ili-kak-zasunut-v-kletku-chuzherodnyi-geneticheskii-material