МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Новосибирский государственный университет»
Факультет естественных наук
УТВЕРЖДАЮ
_______________________
«_____»__________________201__ г.
Рабочая программа дисциплины
Введение в информационную биологию
Направление подготовки
06.03.01 биология
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр академический
Форма обучения
Очная
Новосибирск
2014
Аннотация рабочей программы
Дисциплина «Введение в информационную биологию» является
частью профессионального цикла, вариативная часть (профильная
дисциплина по выбору) ООП по направлению подготовки 06.03.01
«Биология» (квалификация (степень) академический бакалавр). Дисциплина
реализуется
на
факультете
естественных
наук
Национального
исследовательского
университета
Новосибирский
государственный
университет кафедрой информационной биологии ФЕН НГУ.
Основной задачей дисциплины является знакомство студентов с
основными разделами и понятиями системной и компьютерной биологии
(геномика, протеомика, эволюционная биоинформатика, математическое и
компьютерное моделирование биологических процессов и др.).
Рассматривается большое количество комплексных биологических задач,
требующих для своего решения системного подхода.
Дисциплина нацелена на формирование общепрофессиональных
компетенций ОПК-7, ОПК-14, профессиональных компетенций ПК-8.
Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы
организации учебного процесса: 30 часов лекций, 24 ч. самостоятельной
работы студента и 18 часов контроля. Программой дисциплины предусмотрен
следующие рубежный контроль в форме дифференцированного зачёта.
Промежуточный контроль учебной деятельности проводится на каждом
занятии в виде устного опроса по материалам предыдущей лекции.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, 72
академических часа.
2
1. Цели освоения дисциплины
Дисциплина «Введение в информационную биологию» предназначена
для ознакомления студентов с современными представлениями о предмете и
основных концепциях информационной биологии, объектов изучения
информационной биологии, методах и алгоритмах получения, представления и
анализа данных в информационной биологии.
Основной целью освоения дисциплины является получение студентами
основополагающих сведений о содержании и возможностях информационной
биологии
(биоинформатики),
возможностях
приложения
методов
информационной биологии, в том числе, теоретического анализа и
компьютерного моделирования, к решению фундаментальных и прикладных
проблем молекулярной биологии, молекулярной генетики, клеточной биологии,
физиологии, биофизики, общей биологии, биомедицины, фармакологии,
экологии и задач, возникающих на стыке этих наук с математикой,
информатикой и физикой.
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса: изучение
содержательных основ предмета исследований, понятийного аппарата и
методологической базы информационной биологии.
Основной целью освоения дисциплины является ознакомление студентов
с современными взглядами на теорию молекулярной эволюции, некоторыми
моделями происхождения жизни, методами изучения эволюции макромолекул,
некоторыми проблемами молекулярной коэволюции.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавра
Дисциплина «Введение в информационную биологию» входит в
вариативную часть профессионального цикла (дисциплина по выбору) ООП по
направлению подготовки 06.03.01 «Биология».
Дисциплина «Введение в информационную биологию» опирается на
следующие дисциплины данной ООП:
 Молекулярная биология (молекулярные механизмы реализации
генетической информации, репликации, репарации);
 Теория эволюции;
 Генетика популяций.
Результаты освоения дисциплины «Введение в информационную
биологию» используются в следующих дисциплинах данной ООП:
 Биоинформатика;
 Информационные технологии и языки программирования;
 Организация и функционирование молекулярно-генетических систем I, II,
III, IV;
 Структурная компьютерная биология I, II;
 при подготовке дипломной работы.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Введение в информационную биологию»:
 общепрофессиональные компетенции:
 владение базовыми представлениями об основных закономерностях и
современных достижениях генетики и селекции, о геномике, протеомике
(ОПК-7);
 способность и готовность вести дискуссию по социально-значимым
проблемам биологии и экологии (ОПК-14);
 профессиональные компетенции:
 способность использовать основные технические средства поиска
научно-биологической информации, универсальные пакеты прикладных
компьютерных программ, создавать базы экспериментальных
биологических данных, работать с биологической информацией в
глобальных компьютерных сетях (ПК-8).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
 иметь представление о предмете информационной биологии и методах,
которыми оперирует биоинформатика;
 знать основополагающие концепции биоинформатики и круг основных
задач, которые решаются в рамках биоинформатики; способы получения,
организации и анализа данных;
 уметь использовать основные подходы и методы биоинформатики для
решения конкретных научно-исследовательских задач.
4. Структура и содержание дисциплины
Структура дисциплины предусматривает чтение лекций и самостоятельную
работу студента. Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных
единицы, 72 часа.
№ п/п
Раздел дисциплины
С
е
м
ес
тр
1.1 Введение в предмет информационной 5
биологии.
1.2 Адаптация
организмов
к 5
экстремальным условиям среды на
молекулярном и геномном уровне.
1.3 Современные подходы в создании 5
промышленных биотехнологий с
использованием
методов
биоинформатики.
4
Нед
еля
сем
ест
ра
Виды учебной
работы, включая
самостоятельную
Формы текущего
работу студентов и
контроля успеваемости
трудоемкость
(по неделям семестра)
(в часах)
Форма промежуточной
Л
аттестации
е
Се
С
К
к
ми
(по семестрам)
Р
С
ц
нар
С
Р
и
ы
я
1
2
1
2
2
1
3
2
1
1 Устный опрос в
начале лекции
1 Устный опрос в
начале лекции
1 Устный опрос в
начале лекции
1.4 Математические и компьютерные
модели
эволюции:
прямые
и
обратные задачи.
1.5 Компьютерное
исследование
режимов эволюции генов и генных
сетей, онтогенеза.
1.6 Математическое и компьютерное
моделирование функционирования
живых
систем
на
различных
иерархических уровнях организации.
1.7 Решение задач физиологии методами
биоинформатики.
1.8 Применение автоматического
анализа текстов (Text-mining) для
реконструкции ассоциативных
генетических сетей.
1.9 Компьютерная
протеомика:
молекулярный
дизайн,
моделирование и анализ эволюции
белков; новая фармакология.
1.10 Применение ДНК-микрочипов для
исследования структуры геномов и
экспрессии генов.
1.11 Современные методы микроскопии и
компьютерного
анализа
изображений.
1.12 Компьютерный
дизайн
гипотетических генных сетей: от
математической
модели
к
эксперименту.
5
4
2
1
1 Устный опрос в
начале лекции
5
5
2
1
1 Устный опрос в
начале лекции
5
6
2
1
2 Устный опрос в
начале лекции
5
7
2
1
5
8
2
1
1 Устный опрос в
начале лекции
2 Устный опрос в
начале лекции
5 9-10 4
1
2 Устный опрос в
начале лекции
5
11
2
1
1 Устный опрос в
начале лекции
5
12
2
1
2 Устный опрос в
начале лекции
5
1315
6
3
3 Устный опрос в
начале лекции
10
30 24
ИТОГО за семестр
Зачёт с оценкой
18
Образовательные технологии
Используется традиционная система лекций. Перед лекцией в качестве
текущего контроля задается несколько вопросов по прочитанному материалу.
В интерактивной форме требованием ФГОС для предусмотрены 6 ч
занятий. Занятия проходят в компьютерном классе в форме лекций (3*2ч, лекции
№1,4,12), где каждый обучающийся имеет доступ к сети интернет. При
проведении лекций интерактивная форма позволяет более наглядно донести до
студентов особенности и возможности интернет-ресурсов.
5.
6.
Учебно-методическое
обеспечение
самостоятельной
работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Формой текущего контроля при прохождении дисциплины «Введение в
информационную биологию» является контроль посещаемости лекционных
занятий, ответы на вопросы по пройденному материалу.
5
Для того чтобы быть допущенным к экзамену, студент должен выполнить
следующее:
- в ходе прохождения дисциплины посетить не менее 50 % занятий;
- ответить на вопросы по пройденному материалу (в начале каждого
лекционного занятия).
Примеры вопросов для текущего контроля:
1.
Каким открытиям и достижениям в молекулярной биологии и
генетике обязана своим возникновением информационной биология? Привести
характеристики генома человека. Назвать информационные технологии,
находящие применение в биоинформатике.
2.
Три уровня организации биологических систем ((i) молекулярногенетический, (ii) организменный, (iii) популяционный и экосистемный) –
предмет исследований информационной биологии. Перечислить основные
задачи информационной биологии.
3.
Молекулярно-информационные
основы
функционирования
генетических самовоспроизводящихся систем.
4.
Биологические
макромолекулы
(ДНК,
РНК,
белки),
фундаментальные генетические процессы (репликация, транскрипция,
трансляция), генетические сети как объекты исследований информационной
биологии.
5.
Общие понятия о методах получения молекулярно-генетических
данных (расшифровки пространственной структуры белков; расшифровки
(чтения) аминокислотных и нуклеотидных последовательностей; генетической
инженерии, трансгенеза, клонирования; технологии ДНК-чипов).
6.
Определение биологических самовоспроизводящихся систем; типы
и свойства биологических самовоспроизводящихся систем. Информационные
потоки в таких системах. Технологии компьютерного моделирования
биологических систем.
7.
Характерные
свойства
генетических
систем.
Концепция
каталитического гиперцикла М.Эйгена. Рибозимы – новый класс природных
молекул РНК. Их роль в возникновении жизни. Селекс-методы для
моделирования процессов молекулярной эволюции и получения молекулярных
продуктов с заданными свойствами.
8.
Источники
изменчивости
генетической
информации.
Эпигенетическая наследственность. Стратегии адаптации генетических систем к
условиям внешней среды.
9.
Молекулярная эволюция геномов. Использование метода
нуклеотидных замен для датировки событий молекулярной эволюции.
Нейтральные мутации и теория Кимуры. Правило Холдейна. Сравнительные
характеристики белков транскрипционной и трансляционной машин. Роль
дупликаций в эволюции геномов. Горизонтальный перенос генетической
информации и его роль в ранней эволюции геномов.
6
10. Типы регуляторных контуров самовоспроизводящихся систем и
закономерности их эволюции. Основные классы мутаций (повреждающие,
нейтральные, адаптивные), их фиксация в популяциях. Компенсаторный эффект
отрицательных обратных связей. Отрицательные обратные связи – имманентная
причина вырождения самовоспроизводящихся систем. Последствия мутаций для
биологических систем с иерархическим управлением. Дестабилизирующий
отбор.
11. Определение генной сети и ее обязательных компонентов. Классы
элементарных структур и событий, значимых для функционирования генных
сетей. Типы процессов, контролируемых генными сетями. Основные элементы
гипотетических генных сетей. Правила описания динамики функционирования
генных сетей.
7. Данные для учета успеваемости студентов в БАРС
Таблица 1.1 Таблица максимальных баллов по видам учебной деятельности.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Другие
Лаборатор Практичес
Автоматизиро
виды
Промежут
Лекци
Самостоятел
Семестр
ные
кие
ванное
учебной
очная
Итого
и
ьная работа
занятия
занятия
тестирование деятельнос аттестация
ти
5
150
0
0
150
0
0
0
300
Программа оценивания учебной деятельности студента
Оценка учебной деятельности студента в ходе обучения по программе
курса в течение 5 семестра осуществляется в форме контрольных вопросов,
задаваемых перед лекцией по прочитанному материалу.
Лекции:
Оценивается посещаемость, посещение каждой лекции оценивается в 10 баллов.
Самостоятельная работа
Для оценки качества усвоения материала лекционных занятий, проводится
устный опрос перед началом каждой лекции. Диапазон оценки от 0 до 10 баллов.
Максимально возможная сумма баллов за все виды учебной деятельности
студента за 5 семестр по дисциплине «Введение в информационную
биологию» составляет 300 баллов.
Итоговая оценка за семестр складывается из суммы баллов, набранных в
семестре и на экзамене. Максимальная сумма баллов в семестре составляет 300
баллов. Устный экзамен оценивается в 40, 60 или 80 баллов в зависимости от
оценки: «удовлетворительно», «хорошо» или «отлично» по пятибалльной шкале.
7
Таким образом, максимально возможная сумма составляет 380 баллов.
Для того, чтобы быть допущенным к экзамену студент должен набрать не
менее 180 баллов (≈ 60% из 300 баллов). Допуск к экзамену в случае, если 180
баллов не набраны, решается в индивидуальном порядке с преподавателем.
Преподаватель может провести дополнительную контрольную работу или
устное собеседование по всему курсу. Если студент набирает 60% баллов от
максимально возможных, он может сдавать экзамен, если сумма окажется менее
60% баллов, то ему выставляется за экзамен оценка «не удовлетворительно».
При сдаче студентом сдает устного экзамена, баллы за экзамен суммируются
с баллами, набранными в семестре, и в зачетку выставляется итоговая оценка за
семестр:
Таблица 2.1 Таблица пересчета полученной студентом суммы баллов по
дисциплине «Введение в информационную биологию» в оценку:
300 баллов и более (≥80%)
«отлично»
260–299 баллов (≥70%)
«хорошо»
220–259 баллов (≥60%)
«удовлетворительно»
219 и менее баллов (<60%)
«не удовлетворительно»
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Дурбин Р., Эдди Ш., Крог А., Митчисон Г. Анализ биологических
последовательностей // РХД, 2006 г., 480 стр.
2. Игнасимуту С., Основы биоинформатики. // М.-Ижевск: НИЦ "Регуляторная и
хаотическая динамика", Институт компьютерных исследований, 2007. 320 стр.
3. Леск А. Введение в биоинформатику // М.: Бином. Лаб. знаний, 2009., 318
стр.
4. Отв. ред. Н.А. Колчанов, О.В. Вишневский, Д.П. Фурман. Введение в
информационную биологию и биоинформатику: Т.2. // Н.: изд. НГУ, 2012,
252 стр.
5. Отв. ред. Н.А. Колчанов, О.В. Вишневский, Д.П. Фурман. Введение в
информационную биологию и биоинформатику: Т.4. // Н.: изд. НГУ, 2012,
320 стр.
б) дополнительная литература:
1. Gene Regulation and Metabolism. Postgenomic Computational Approaches. Ed.
By J. Collado-Vides and R. Hofestadt, A Bradford Book, The MIT Press,
Cambridge, Massachusetts, London, England, 2002
8
2.
Родин С.Н. Идея коэволюции. Новосибирск, «Наука», 1991
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
 Ноутбук, медиа-проектор, экран.
 Программное обеспечение для демонстрации слайд-презентаций.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с OC ВПО,
принятыми в ФГАОУ ВО Новосибирский национальный исследовательский
государственный университет с учетом рекомендаций ООП ВПО по подготовке
бакалавров по направлению 020400.68 «Биология».
Авторы:
Колчанов Николай Александрович, академик РАН, заведующий кафедрой
информационной биологии ФЕН НГУ, директор ИЦиГ СО РАН;
___________________
подпись
Лашин Сергей Александрович, канд. биол. наук, старший преподаватель кафедры
информационной биологии ФЕН НГУ, с.н.с., ИЦиГ СО РАН.
___________________
подпись
Программа одобрена на заседании кафедры информационной биологии
Факультета естественных наук НГУ 04 августа 2014 года, протокол № 9 (65).
Секретарь кафедры _____________ Т.А. Бухарина
9