Μεταγονιδιωματική

Μαθησιακά Αποτελέσματα

Μετά την επιτυχή ολοκλήρωση των διαλέξεων και των εργαστηριακών ασκήσεων του μαθήματος, οι μεταπτυχιακοί φοιτητές θα είναι σε θέση να:

– Από άποψη γνώσεων και κατανόησης

• αξιολογούν υπολογιστικές, βιοπληροφορικές και μηχανικές προσεγγίσεις μάθησης που χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό, τη μοντελοποίηση και τη βελτιστοποίηση βιολογικών συστημάτων.
• κατανοούν την αλληλεξάρτηση μεταξύ της μοριακής σύνθεσης και της λειτουργίας στο επίπεδο των κυτταρικών δομών
• σχεδιάζουν και αξιολογούν μεταγονιδιωματικές πειραματικές στρατηγικές, συμπεριλαμβανομένων προσεγγίσεων εξαγωγής DNA, μεθόδων εμπλουτισμού κυττάρων/DNA, επιλογής βάθους αλληλούχισης και πλατφόρμας, επιλογής μεθόδου για λειτουργική μεταγονιδιωματική
• αξιολογούν κριτικά την κατασκευή βιβλιοθήκης λειτουργικής μεταγονιδιωματικής και τις μεθόδους διαλογής βάσει δραστηριότητας, και προτείνουν λύσεις Συνθετικής Βιολογίας σε ετερόλογες προκλήσεις έκφρασης γονιδίων
• ενσωματώνουν μεταγονιδιωματικά ευρήματα σε ένα πλαίσιο Συνθετικής Βιολογίας, συνδέοντας τα περιβαλλοντικά σχέδια DNA με τη μηχανική μονοπατιών και το βιοσυνθετικό δυναμικό

– Όσον αφορά τις δεξιότητες

• εκτελούν βιοπληροφορικές αγωγούς για την επεξεργασία μεταγονιδιωματικών δεδομένων, συμπεριλαμβανομένης της ανάγνωσης QA/QC, της συναρμολόγησης μεταγονιδιώματος, της συγχώνευσης σε MAG, της αξιολόγησης ποιότητας και της ταξινομικής/λειτουργικής σχολίασης
• εφαρμόζουν στρατηγικές σχολίασης και αναζητήσεις σε βάσεις δεδομένων για τον χαρακτηρισμό του λειτουργικού δυναμικού σύνθετων μικροβιακών κοινοτήτων, συμπεριλαμβανομένης της πρόβλεψης συστάδων γονιδίων και μεταβολικών μονοπατιών
• προβλέπουν και αξιολογούν πρωτεϊνικές δομές και εκτελούν αναλύσεις σύνδεσης νέων ενζύμων που ανακαλύφθηκαν μέσω της μεταγονιδιωματικής εξόρυξης

– Όσον αφορά τις ικανότητες

• σχεδιάζουν και διεξάγουν ανεξάρτητα ερευνητικά έργα στη συνθετική βιολογία, εφαρμόζοντας σύγχρονες πειραματικές, υπολογιστικές και αυτοματοποιημένες μεθοδολογίες. • να αξιολογούν κριτικά την επιστημονική βιβλιογραφία και να ενσωματώνουν νέα ερευνητικά ευρήματα στο σχεδιασμό βιολογικών συστημάτων.
• να λαμβάνουν τεκμηριωμένες αποφάσεις κατά την αντιμετώπιση σύνθετων και απρόβλεπτων ερευνητικών ή τεχνολογικών προκλήσεων.
• να συνεργάζονται αποτελεσματικά σε διεπιστημονικές ομάδες που συνδυάζουν τη βιολογία, τη μηχανική, την επιστήμη των υπολογιστών και τη χημεία.
• να επικοινωνούν αποτελεσματικά επιστημονικά αποτελέσματα και τεχνολογικές εφαρμογές τόσο σε εξειδικευμένο όσο και σε μη εξειδικευμένο κοινό.

Περιεχόμενο Μαθήματος

• Εισαγωγή στη Μεταγονιδιωματική: σύντομη ιστορία και βασικά ερωτήματα· μεταγονιδιωματική βασισμένη σε αλληλουχίες έναντι λειτουργικής μεταγονιδιωματικής και συνάφεια με τη Συνθετική Βιολογία· επίπεδα ανάλυσης (shotgun vs στοχευμένος εμπλουτισμός)· πειραματικά σχέδια· προσεγγίσεις εξαγωγής DNA και μέθοδοι εμπλουτισμού κυττάρων/DNA
• Μεταγονιδιωματική βασισμένη σε αλληλουχίες Ι: πλατφόρμες αλληλούχισης και όρια ανίχνευσης· ανάγνωση QA και QC κάλυψη μεταγονιδιώματος και στρατηγικές ανάλυσης δεδομένων· ανάγνωση χαρτογράφησης έναντι συναρμολογήσεων· καθολικές έναντι γονιδιοκεντρικών συναρμολογήσεων· συναρμολόγηση αλληλουχίας· σύνδεση μεταγονιδιώματος σε MAG και αξιολόγηση ποιότητας
• Μεταγονιδιωματική βασισμένη σε αλληλουχίες ΙΙ: στρατηγικές ανάγνωσης και συναρμολόγησης σχολίων αλληλουχιών (k-mer vs τοπική ευθυγράμμιση· πρόβλεψη γονιδίων και λειτουργική σχολίαση)· καθολική έναντι θεματικής σχολίασης βάσης δεδομένων· πρόβλεψη συστάδων γονιδίων και μεταβολικών οδών· στατιστική και συγκριτική ανάλυση· δομική πρόβλεψη και σύνδεση νέων ενζύμων
• Λειτουργική Μεταγονιδιωματική: αρχές κατασκευής βιβλιοθήκης (εξαγωγή DNA, μέγεθος ένθετου, τύπος φορέα, επιλογή ξενιστή για ετερόλογη έκφραση)· μέθοδοι διαλογής βιβλιοθήκης (χρωματομετρία, φθοριογόνος, κυτταρομετρία ροής, αναγνώστες πλακών μικροτιτλοδότησης)· προκλήσεις της ετερόλογης γονιδιακής έκφρασης και λύσεις Συνθετικής Βιολογίας (βελτιστοποίηση γενετικού κώδικα)

Εργαστηριακές Ασκήσεις

• Επεξεργασία μεταγονιδιωματικών δεδομένων: ανάγνωση QA/QC, συναρμολόγηση μεταγονιδιώματος και ομαδοποίηση σε MAG χρησιμοποιώντας εργαλεία βιοπληροφορικής γραμμής εντολών
• Λειτουργική σχολίαση και συγκριτική μεταγονιδιωματική: αγωγοί σχολιασμού, πρόβλεψη οδών και στατιστική ανάλυση συνόλων μεταγονιδιωματικών δεδομένων

Συνιστώμενη Βιβλιογραφία

• “Metagenomics: Methods and Protocols, 3rd ed” Streit, Wolfgang R. Daniel, Rolf (Eds), 2023. Springer US, New York, NY. ISBN: 978-1-071-62795-2
• “Metagenomics and microbial ecology: techniques and applications” S. d. Mandel, A. Kumari Panda, N. Senthil Kumar, S. Singh Bisht, & F. Jin, (Eds), 2022. CRC Press, Taylor & Francis Group.
• “The New Science of Meatagenomcis: Revealing the Secrets of Our Microbial Planet”, Committee and staff on Metagenomics, National Academies Press, 2007. ISBN: 0-309-10677-X
• Course Lecture Notes and Computational Laboratory Tutorials (available on the e-class platform)
• Bharti, R. and Grimm, D.G.   Current challenges and best-practice protocols for microbiome analysis. Brief. Bioinform. 22(1), 178-193.
• Kunin, V., Copeland, A., Lapidus, A., Mavromatis, K. and Hugenholtz, P.   A bioinformatician’s guide to metagenomics. Microbiol Mol Biol Rev 72(4), 557-578, Table of Contents.
• Ma, F., Guo, T., Zhang, Y., Bai, X., Li, C., Lu, Z., Deng, X., Li, D., Kurabayashi, K. and Yang, G.-y.   An ultrahigh-throughput screening platform based on flow cytometric droplet sorting for mining novel enzymes from metagenomic libraries. Environ. Microbiol. 23(2), 996-1008.
• Quince, C., Walker, A.W., Simpson, J.T., Loman, N.J. and Segata, N.   Shotgun metagenomics, from sampling to analysis. Nat. Biotechnol. 35(9), 833-844.
• Robinson, S.L., Piel, J. and Sunagawa, S.   A roadmap for metagenomic enzyme discovery. Nat. Prod. Rep. 38(11), 1994-2023.
• Uchiyama, T. and Watanabe, K.   Substrate-induced gene expression (SIGEX) screening of metagenome libraries. Nature Protocols 3(7), 1202-1212.
• Valmas, M.I., Kormas, K., Karpouzas, D.G., Konstantinidis, K.T., Rozman, S.D., Udiković-Kolić, N., Remus-Emsermann, M.N.P. and Vasileiadis, S.   Targeted analysis of metagenomes: divide and conquer. Biotechnol. Adv., 108619.