АННОТАЦИЯ ДИСЦИПЛИН

АННОТАЦИЯ ДИСЦИПЛИН
ПРОФИЛЯ ПОДГОТОВКИ «Molecular and cellular biotechnology»
№
Наименование дисциплины и ее основные разделы
1.
2.
1. Биокатализ и биокаталитические технологии
Ферменты как катализаторы в химической промышленности. Преимущества
ферментов перед обычными катализаторами. Классификация и номенклатура
ферментов. Основные типы процессов промышленного значения,
осуществляемые с использованием ферментов.
Основы кинетики ферментативных реакций. Основные кинетические
параметры ферментов. Влияние физико-химических условий на кинетику
ферментативных реакций. Физико-химические основы специфичности
ферментов. Возможные подходы к управлению специфичностью ферментов.
Формы применения ферментов. Цельные клетки в качестве биокатализаторов
(процессы биотрансформации).
Использование ферментов в неводных системах (системах с низким
содержанием воды). Реакции в двухфазных системах. Реакции в ионных
жидкостях.
Реакции переноса ацильных групп. Синтез аспартама.
Синтез хиральных соединений, разделение стереоизомеров. Гидролазы и
оксидоредуктазы в стереоспецифических превращениях. Кофакторы
оксидоредуктаз. Проблемы регенерации кофакторов и пути их решения.
Синтез хиральных спиртов.
Реакции нитрования и галогенирования органических соединений.
Стереоспецифичный гидролиз эпоксидов. Стереоспецифичный синтез
аминокислот.
Реакции переноса фосфатных групп.
Реакции конденсации с использованием макроэргических кофакторов
(лигазные реакции). Ферментативный синтез нуклеиновых кислот и
олигонуклеотидов.
Реакторы, используемые для осуществления биокаталитических процессов.
Песпективы развития биокатализа. Дизайн новых биокатализаторов.
Молекулярная эволюция как способ получения ферментов с заданными
свойствами. ПЦР-мутагенез.
Нуклеиновые кислоты как катализаторы. Рибозимы, ДНК-зимы и их
конструирование. Абзимы.
3. Основы генной инженерии
Основные биологические системы, используемые в молекулярной
биотехнологии. Ферменты, используемые в молекулярном клонировании.
Плазмидные векторы. Векторы на основе бактериофага . Векторы на основе
бактериофага M13. Векторы большой вместимости и их применение.
Анализ нуклеиновых кислот и белков электрофоретическими методами.
Анализ структуры и уровня экспрессии ДНК и РНК. Полимеразная цепная
реакция. Современные методы анализа белок-белковых взаимодействий.
Получение и анализ библиотек кДНК. Секвенирование ДНК. Сайтнаправленный мутагенез.
Всего
зачетных
единиц
4.
5.
6.
7.
Гетерологичная экспрессия и синтез рекомбинантного белка в E. coli и
других бактериях, в клетках млекопитающих и в других эукариотических
клетках.
Иммунологическая биотехнология.
Микробиологическое производство малых молекул и белковых
лекарственных средств.
Генная инженерия растений.
Белковая инженерия
Методы направленного мутагенеза в изучении структурно-функциональных
особенностей белков и конструировании их модифицированных
производных, обладающих новыми свойствами. Конструирование
искусственных белков, не существовавших в природе, путем объединения
фрагментов и функциональных доменов из разных полипептидных цепей с
использованием генно-инженерных методов. Конструирование биологически
активных пептидов, обладающих фармакологической активностью с
использованием методов фагового дисплея. Репортёрные белки в составе
химерных полипептидов, их роль в изучении функции, локализации и
транспорта исследуемых белков. Гибридные модифицированные токсины
направленного действия, их получение, новые функциональные свойства и
применение в качестве эффективных фармакологических препаратов.
Подходы к созданию новых ферментов. Синтез белков, способных
связываться с онкобелками и со специфическими антигенами патогенных
микроорганизмов и их использование в качестве средств адресной достаки
лекарственных препаратов. Получение рекомбинантных искусственных
полиэпитопных белков и создание на их основе высокоэффективных вакцин.
Биосенсорная технология. Применение биосенсоров в экологических
исследованиях, в области оценки пищевой ценности и безопасности
продуктов питания, в обнаружении токсинов, наркотиков, взрывчатых
веществ, возбудителей особо опасных инфекций, а также в экспрессной
лабораторной диагностике. Бесклеточные белок-синтезирующие системы в
научных исследованиях и в биотехнологии получения ряда биологически
важных белков. Технологии очистки рекомбинантных белков.
Биобезопасность
Концепция биологической безопасности в лабораторных условиях,
классификации патогенов по уровням риска. Основные понятия
биобезопасности. Отличия в классификации уровней биобезопасности по
рекомендациям ВОЗ, правилам США, Канады и России. Характеристика
уровней биологической безопасности 1–3 по российских правилам. Порядок
учета, обращения, хранения, отпуска микроорганизмов. Защитное
лабораторное оборудование: боксы биологической безопасности разных
классов; средства индивидуальной защиты. Безопасные методы работы с
микробиологическими материалами. Дезинфекция, стерилизация,
деконтаминация боксов биологической безопасности, обеззараживание
отходов. Аварии и аварийные ситуации. Контроль экспериментов с
рекомбинантными ДНК. Контроль за производством и потреблением
продуктов, полученных биотехнологическими методами. Контролируемое
высвобождение генетически модифицированных организмов в окружающую
среду.
Организационные вопросы биобезопасности. Организация надзора в
лабораториях и на производстве. Юридические и международные аспекты
8.
9.
биобезопасности. Противодействие биотерроризму.
Нанотехнологии в биотехнологии
Предмет нанотехнологии. Особенности поведения биологических систем в
наномасштабах: биополимеры, самосборка, наноразмерные биологические
машины. Физико-химические основы молекулярного узнавания и
самосборки.
Биологические процессы на границах раздела фаз. Биосовместимые
материалы. Микрофлюидика и ее применение в нанобиотехнологии.
Микроконтактная печать с использованием белков. Взаимодействие клеток с
наноструктурами. Конструирование нейронных сетей in vitro.
Белковые наноструктуры. S-слои. Белковые нанопоры. Генноинженерные
подходы к получению белков со способностью к самосборке в
наноструктуры. Микробиологическая продукция наночастиц. Магнетосомы:
природные наночастицы. Бактериородопсин и его применение в
бионаноконструкциях. Полимерные наноконтейнеры. Искусственные
биомолекулярные моторы. Гибридные системы наночастица–биоматериал и
их применение в биоэлектронике.
Наноструктуры на основе нуклеиновых кислот. НК-белковые наноструктуры.
НК-матричная электроника. Применение НК для биомиметического синтеза
металлических нанопроводов и наноконтуров. Минерализация наноструктур:
биомиметические ферритины как элементы компьютерной памяти.
Конъюгаты НК с наночастицами золота. НК-структуры для наномеханики.
ДНК-компьютеры. Применение наночастиц для трансфекции клеток.
Наноанализ. Люминесцентные квантовые точки для мечения биомолекул.
Наночастицы как молекулярные метки. Анализ биомолекулярных структур
при помощи атомной силовой микроскопии. Силовая спектроскопия.
Биофункционализированные наночастицы для усиленного поверхностного
комбинационного рассеяния света и поверхностного плазмонного резонанса.
Применение биоконъюгатов с частицами SiO2 в биоанализе.
Биоинформатика
Введение в биоинформатику. Предмет, задачи и объекты биоинформатики.
Факторы эволюции генетических систем. Компьютерная молекулярная
филогения. Мутационные спектры генов и иерархическая организация
регуляторных систем.
Компьютерный анализ последовательностей нуклеиновых кислот и белков.
Операции с последовательностями, базы данных последовательностей,
форматы данных, программы анализа последовательностей. Сравнение
последовательностей. Выравнивание последовательностей. Предсказание
вторичной структуры РНК. Установление эволюционных взаимосвязей по
последовательностям. Поиск гомологии в базах данных.
Генные сети. Структурно-функциональная организация и интеграция:
понятие «генной сети», классы функциональных структур и событий,
значимых для функционирования генных сетей, Cтруктурно-функциональная
организация, кассетная активация и репрессия генов, положительные и
отрицательные обратные связи, мотивы генных сетей, интеграция генных
сетей. Функциональные системы как сети взаимодействующих элементов;
случайные и безмасштабные сети, структура, динамика и устойчивость сетей.
Общие принципы и реализация организации генных сетей про- и эукариот.
Примеры генных сетей: генная сеть апоптоза, генные сети развития
Drosophila melanogaster, генные сети метаболизма.
Математическое моделирование молекулярно-генетических систем.
Основные понятия и термины, обзор современных подходов.
2
Математические модели гомеостатических генных сетей и генных сетей
развивающихся систем на примерах сети гомеостаза холестерина и сети
регуляции дифференцировки эритроидной клетки. Моделирование динамики
генных сетей при воздействиях на них в норме и при различных мутациях.
Моделирование эволюции генных сетей. Обобщенный химико-кинетический
метод моделирования: формальное описание моделей генных сетей.
Стохастическая модель трансляции. Проблема и методы верификации
параметров математических моделей. Решение задач управления
динамическими системами. Простейшая самовоспроизводящая система и
реализация двух разных ее состояний. Гипотетические генные сети.
10. Экспериментальные генетические модели нормы и патологии
Генетические ресурсы лабораторных животных. Роль животных с заданными
генетическими свойствами в решении фундаментальных проблем
постгеномной физиологии и биомедицины. Основные подходы к созданию
генетических моделей на животных. Управление генетическими ресурсами и
принципы международной кооперации.
Криоархивирование и репродуктивные технологии. История вопроса.
Методы криоархивирования. Видовые особенности. Искусственное
осеменение. Пересадки эмбрионов. Преодоление репродуктивных барьеров.
Освобождение от видоспецифических патогенов.
Трансгенез. Технологии получения трансгенных и химерные животных.
Высокотехнологическое фенотипирование. Автоматическая регистрация
различных форм поведения. Неинвазивный мониторинг физиологических
параметров. Транспондеры. Анализ летучих продуктов метаболизма.
Системы морфофункционального имиджинга (томография, УЗИ, оптическое
сканирование). Автоматический анализ клеток крови, биохимических
показателей крови, системы свертывания крови.
Международные правила экспериментов на животных. Современные
технологии содержания животных. SPF-стандарт. Основные протоколы
экспериментальных манипуляций.
11. Молекулярные основы фармакологии
Общие принципы фармакологии. Связывание фармакологического агента с
мишенью в организме как основа действия лекарств. Уравнение Хилла–
Ленгмюра. Физиологический ответ. Агонисты и антагонисты. Основные
типы фармакологических мишеней.
Фармакокинетика. Механизмы и кинетика проникновения лекарственных
средств в организм и их выведения.
Метаболизм лекарственных стредств как ксенобиотиков. Основные фазы
метаболизма.
Фармакология периферической нервной системы. Фармакология
холинэргической и адренэргической нейротрансмиссии.
Фармакология центральной нервной системы. Возбуждающая и тормозящая
нейротрансмиссия в ЦНС. Основные нейротрансмиттеры в ЦНС.
Дофаминэргическая, серотонинэргическая и адренэргическая
нейротрансмиссия в ЦНС.
Электрическая передача нервного импульса. Молекулярные механизмы
возникновения и передачи болевых сигналов. Фармакология анестезии и
анальгезии. Молекулярные механизмы толерантности рецепторов. Система
поощрения в ЦНС и механизм действия наркотических веществ.
Фармакология сердечной мышцы. Автоматическая и возбудимая функции.
Сократительная функция.
Фармакология регуляции давления. Регуляция объема жидкости. Регуляция
сосудистого тонуса.
Фармакология гемостаза и тромбоза. Фармакология метаболизма
холестерина и липопротеинов.
Эндокринная фармакология.
Основные принципы химиотерапии. Фармакологические агенты,
подавляющие синтез нуклеотидов. Фармакологические агенты, подавляющие
репликацию и митоз. Фармакологические агенты, подавляющие
транскрипцию и трансляцию у бактерий. Противовирусные агенты.
Фармакологические агенты, подавляющие синтез клеточной стенки бактерий.
Основные фармакологические мишени при терапии грибковых и
паразитарных инфекций. Механизмы возникновения устойчивости к
химиотерапевтическим агентам. Принципы комбинационной химиотерапии.
Фармакология иммунной системы и воспаления. Фармакологические агенты,
ингибирующие синтез эйкозаноидов. Антигистаминные средства.
Гематопоэз. Иммуносупрессия и ее использование в клинической практике.
Принципы разработки лекарственных средств. Основные стадии разработки
новых лекарств. Подходы к скринингу, дизайну и оптимизации
фармакологических агентов. Схемы и принципы клинических испытаний.
12. Химия природных соединений
Химия нуклеиновых кислот. Физико-химические свойства нуклеозидов.
Химический синтез нуклеозидов. Химические реакции нуклеозидов. Общие
свойства природных нуклеотидов и родственных органических фосфатов.
Химический синтез дезоксирибоолигонуклеотидов и рибоолигонуклеотидов.
Печать микрочипов. Химические методы определения последовательности
ДНК и РНК. Фотохимия нуклеиновых кислот.
Химия белка. Структуры аминокислот. Гидролиз белков и пептидов до
аминокислот. Общие методы синтеза аминокислот. Получение энантиомеров
аминокислот. Общая стратегия определения первичной структуры белков.
Аминокислотный анализ. Определение N- и C-концевых групп. Селективные
химические и ферментативные методы расщепления пептидных связей.
Определение аминокислотной последовательности с помощью массспектрометрии. Никомолекулярные пептиды, встречающиеся в природе.
Пептидный синтез: общая стратегия, твердофазный синтез. Защитные
группы. Образование пептидной связи.
Химия липидов. Природные жирные кислоты (ЖК). Методы определения
строения ЖК. Химический синтез ЖК. Реакции ЖК. Строение липидов.
Анализ липидов. Синтез липидов.
Химия углеводов. Строение и конформация моносахаридов. Синтез
моносахаридов. Реакции моносахаридов. Производные моносахаридов.
Олигосахариды: определение строения, синтез. Полисахариды:
распространение в природе, номенклатура, классификация. Методы
установления структуры полисахаридов. Полисахариды растений,
микроорганизмов, грибов и животных. Гликопротеины.
Изопреноиды и их полимеры. Терпены и терпеноиды. Смоляные кислоты.
Натуральные каучуки: строение, химия процессов переработки.
Стероиды. Порфирины. Алкалоиды
Химия биоконъюгатов. Модификация аминокислот, пептидов и белков.
Модификация сахаров, полисахаридов и гликоконъюгатов. Модификация
нуклеиновых кислот. Введение специфических функциональных групп.
Метки и зонды, используемые для модификации, и методы их введения.
13. Структурная биология
Структура белков. Структура и свойства аминокислот. Пептидная связь.
Природа связей, стабилизирующих пространственную структуру белка.
Основные элементы вторичной структуры. График Рамачандрана. Методы
предсказания вторичной структуры белка. Третичная структура белка.
Стабильность белка. Посттрансляционные модификации. Понятие о доменах
и структурных мотивах белка. Общие принципы организации четвертичной
структуры белка. Гибкость белковых молекул. Сравнение пространственных
структур белков. Визуализация макромолекулярных структур. Структурные
основы функционирования белков: узнавание лигандов, структурные белки,
ферментативный катализ, регуляция функционирования белка. Примеры
структурно-функциональных соотношений в белках.
Структура нуклеиновых кислот. Основные геометрические параметры монои полинуклеотидов. Структура, конформационные и физико-химические
свойства оснований и нуклеотидов. Силы, стабилизирующие ассоциаты
оснований. Типы двойных спиралей ДНК и РНК. Локальные геометрические
параметры двойных спиралей. Структура тРНК. Взаимодействия между
белками и нуклеиновыми кислотами. Более высокие уровни организации
ДНК. Топологические проблемы кольцевых замкнутых ДНК.
Структура биологических мембран. Жидкомозаичная модель. Образование
бислойных структур. Мембранные рафты. Белки и гликопротеины, входящие
в состав мембран.
Структура полисахаридов. Конформации полисахаридов в растворе.
Рентгеноструктурный анализ в структурной биологии. Кристаллизация
белков. Источники и детекторы рентгеновского излучения. Свойства
кристаллов. Теория рентгеновской дифракции на кристаллической решетке.
Решение фазовой проблемы. Прямые вероятностные методы определения
структуры малых молекул. Оценка качества структуры.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в структурной
биологии. Общие принципы ЯМР-спектроскопии. Практические аспекты
снятия ЯМР-спектров.
Вычислительные методы в структурной биологии. Подходы к установлению
центров связывания и каталитически активных остатков. Теория и методы
молекулярной динамики. Основные программы для молекулярнодинамических расчетов. Макромолекулярный докинг.
Сворачивание белка. Кинетические модели сворачивания полипептидной
цепи. Методы исследования процессов сворачивания полипептидной цепи.
Состояние расплавленной глобулы. Сборка многосубъединичных структур.
14. Молекулярная медицина
Медицинская и клиническая генетика. Генетическое разнообразие популяций
человека. Роль наследственности и среды в развитии патологии. Общие
принципы клинической диагностики наследственных болезней.
Наследственные заболевания и наследственные факторы риска. Генные
болезни. Хромосомные болезни. Болезни с наследственной
предрасположенностью. Генетика злокачественных новообразований.
Медико-генетическое консультирование. Пренатальная и
преимплантационная диагностика. Генетические карты здоровья.
Перспективы персонализированной медицины. Этические вопросы
медицинской генетики.
Фармакогеномика. Вариабельность фармакологических мишеней и
ферментов метаболизма. Персонализированная фармакология.
Молекулярная диагностика. Методы иммунодиагностики. Стимуляционная
диагностика. Ферментные биосенсоры. Методы ДНК-диагностики.
Молекулярная диагностика наследственных заболеваний. Биомаркеры
заболеваний.
Вакцинирование. Основные принципы разработки и действия традиционных
живых и убитых вакцин. Генная иммунизация.
Использование антител и белков в качестве лекарственных средств. Поли- и
моноклональные антитела как лекарственные средства. Химерные антитела,
гуманизация антител. Заместительная терапия при наследственных
заболеваниях.
Перспективные механизмы доставки лекарственных средств.
Генная терапия и терапевтическое клонирование. Принципы генной терапии
ex vivo и in vivo. Основные требования к безопасности и эффективности
генной терапии. Системы доставки генов. Генная терапия на основе РНКинтерференции и антисмысловой мРНК. Лекарственные средства на основе
олигонуклеотидов. Стволовые клетки. Клонирование млекопитающих
методом ядерного трансфера, репрограммирование клеток. Направленная
модификация генома. Этические и юридические аспекты генной терапии и
терапевтического клонирования.
15. Биомедицинская инженерия
Биомедицинские материалы: свойства, типы и применение. Взаимодействие
биомедицинских материалов с живыми тканями. Дизайн и испытания
биомедицинских материалов. Безопасность и регуляция биомедицинских
материалов. Хирургические материалы и имплантанты.
Тканевая инженерия. Материалы для тканевых матриц. Клеточные
механизмы регенерации. Примеры использования тканевой инженерии.
Принципы конструирования биомедицинских приборов.
Биомедицинские сенсоры.
Инструментальная обработка биологических сигналов. Физиологическая
природа и основные характеристики биологических сигналов. Детекция,
преобразование и анализ биологических сигналов.
Медицинская визуализация. Рентгенологические методы. Радионуклидные
методы. Магниторезонансные методы. Акустические методы.
Биоэлектрическая диагностика. Основные принципы и приборы для
электрокардиографии и электроэнцефалографии.
Биомедицинская оптика. Распространение света в живых тканях. Лазерная и
фотодинамическая терапия. Оптические методы медицинской визуализации.