Biologia estructural en el segle XXI
Descripció
La biologia estructural estudia l'estructura tridimensional de les molècules dels éssers vius. Un grup principal d’aquestes molècules són els àcids nucleics i les proteïnes. Tres avenços científics són fites fonamentals de la Biologia Estructural al segle XX:
- La doble hèlix del DNA (Francis Crick, James Watson i Maurice Wilkins; Premi Nobel de Medicina 1962).
- La resolució de les estructures de l'enllaç peptídic i de les principals estructures secundàries de les proteïnes (Linus Pauling; Premi Nobel de Química 1954).
- La resolució de l'estructura de les primeres proteïnes globulars (Max Perutz i John Kendrew; Premi Nobel de Química 1962), inclosa la primera proteïna integral de membrana (Johann Deisenhofer, Robert Huber i Hartmut Michel; Premi Nobel de Química 1988).
A aquests avenços han seguit enormes desenvolupaments com l'estructura del ribosoma (Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Arthur Steitz i Ada Yonath; Premi Nobel de Química 2009), entre d'altres grans complexos macromoleculars, per citar-ne algun. La resolució d'estructures per difracció de raigs X de cristalls de proteïnes i àcids nucleics, i per Ressonància Magnètica Nuclear han estat la base d’aquests desenvolupaments.
Al segle XXI s'ha donat un impuls enorme a la Biologia estructural de proteïnes i dels complexos proteïna/àcids nucleics, i això s'ha fonamentat en dos enormes desenvolupaments tecnològics:
- Crio Microscòpia electrònica (Cryo-EM) (Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson; Premi Nobel de Química 2017).
- Predicció del plegament de proteïnes basat en Intel·ligència Artificial (AlphaFold i RoseTTAFold) (David Baker, Demis Hassabis i John Jumper; Premi Fronteres del coneixement-BBVA Biologia i Biomedicina 2022).
Objectius
- Conèixer les principals tècniques experimentals utilitzades en Biologia Estructural.
- Entendre com la RMN ens permet descobrir estructures moleculars.
- Informar de com la biologia estructural ens facilita la comprensió dels mecanismes subjacents en biomedicina i biotecnologia.
- Entendre com crear computacionalment proteïnes amb una estructura i funció d’interès.
- Aplicar jocs, eines i aplicacions informàtiques a la docència de la proteòmica.
Continguts
Sessió 1: Biologia Estructural: Forma i Funció en Biologia (Molecular).
A la part teòrica es parlarà de Biologia Estructural, definició, història, assoliments científics representatius, sovint associats a la concessió de Premis Nobel. Principals tècniques experimentals utilitzades, amb un èmfasi especial en la cristal·lografia de Raigs-X i en les Microscòpies Electròniques. Interrelacions amb altres camps d’investigació i aplicacions.
A la part pràctica es plantejaran uns exemples reals per practicar la interpretació de mapes tridimensionals obtinguts mitjançant tècniques de cristal·lografia de Raigs X o de Crio-Microscòpia Electrònica, comparant les peculiaritats d’ambdues tècniques. Per finalitzar s’accedirà als Bancs de Dades on s’emmagatzema la informació obtinguda per les investigacions en Biologia Estructural.
Es requereix ordinador personal per part dels participants.
Sessió 2: Resonancia magnética nuclear aplicada a la determinación de estructuras de proteínas y péptidos.
La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica empleada principalmente en la elucidación de estructuras moleculares, aunque también se puede emplear para seguir procesos enzimáticos o de intercambios conformacionales y dinámicos.
Algunos núcleos atómicos con el 1H, 19F, 15N, 13C, cuando están dentro de un campo magnético externo absorben radiación electromagnética. La frecuencia exacta de esta absorción depende del entorno de estos núcleos, con lo que se puede emplear esta información para determinar la estructura de la molécula. Por ejemplo, el grupo CH3 de una Alanina, resonará a diferentes frecuencias dependiendo de la estructura secundaria y terciaria en la que dicha Alanina se encuentre.
En este curso pretendemos abordar de forma sencilla cómo la resonancia magnética nuclear puede aplicarse a la determinación estructural de proteínas y ácidos nucleicos, en metabolómica y en diseño de moléculas con potencial farmacológico. Para ello, miraremos los espectros del paracetamol y de un tripéptido sencillo, para ver cómo se puede correlacionar sus resonancias con sus fórmulas. También estudiaremos la presencia de señales de resonancia que indican la presencia de estructura secundaria y terciaria, utilizando una proteína pequeña.
Presentaremos las características de los espectrómetros y las mejoras técnicas en su diseño, explicando el impacto del desarrollo tecnológico en la calidad de los datos y por tanto en la simplificación de su interpretación. Explicaremos brevemente el proceso de cálculo de estructuras de proteínas a partir de datos de resonancia, empleando un software que hemos desarrollado en nuestro laboratorio. Este software convierte las intensidades de resonancia en distancias, lo que nos permite construir modelos tridimensionales a partir de una nube de distancias entre átomos.
En la parte práctica grabaremos en un pequeño video el proceso de adquisición de datos y su procesado en el equipo.
Luego, en un ordenador y de forma presencial, interpretaremos las resonancias de un péptido pequeño a modo de ejemplo y veremos la información codificada en esos datos que nos permite discernir la presencia de estructura secundaria y terciaria. También ejecutaremos el cálculo de una estructura de una proteína pequeña. Enseñaremos las regiones rígidas y flexibles, y discutiremos la importancia de la dinámica en la función.
Se requiere ordenador personal por parte de los participantes.
Sessió 3: Cristalografía macromolecular, entre la predicción y el experimento
La biología estructural proporciona una visión a nivel atómico de la biomedicina y biotecnología que facilita nuestra comprensión de los mecanismos subyacentes. El resultado que vemos integra experimento y conocimiento previo en un marco estadístico de probabilidad. El equilibrio entre ambos factores ha cambiado con el advenimiento de predicciones estructurales con un detalle y precisión sin precedentes.
Hablaremos de cómo su utilización en un marco experimental ha impactado los métodos, explicando los principales algoritmos necesarios para pasar de los datos experimentales de difracción al modelo experimental. ¿Qué hay dentro de la caja negra? ¿Cómo juzgar la calidad de los modelos experimentales?
En la parte práctica veremos que aun cuando la biología estructural práctica es compleja e interdisciplinar, las ideas centrales pueden abstraerse de los formalismos matemáticos. Esto permite plantear los problemas de modo accesible a quien no es experto. Su resolución es estimulante, un momento eureka que nos permite disfrutar entendiendo. Por ejemplo, nuestra web incorpora la programación de la transformada de Fourier - esencial en cristalografía - en una serie de animaciones que ilustran conceptos como el sesgo del modelo y las limitaciones en los datos experimentales (http://chango.ibmb.csic.es/colibri). De manera análoga, nuestra práctica será un "Escape room" computacional ilustrando puntos clave en la determinación cristalográfica, donde la resolución de ejercicios es necesaria para superar niveles y pasar a la siguiente página HTML. En el pasado, hemos utilizado este mismo formato en prácticas de grado y máster a través de una gymkana HTML.
Se requiere teléfono Android, Tablet u ordenador personal por parte de los participantes ya que los ejercicios se facilitarán a través de una app y de nuestra web.
Sessió 4: De la predicció al disseny de proteïnes per a biotecnologia i medicina
Els avenços en les tècniques computacionals de predicció de la estructura de proteïnes a partir de la seva seqüencia d’aminoàcids permeten en el present afrontar el problema invers: dissenyar seqüencies d’aminoàcids que es pleguen en una estructura objectiu que determina la funció d’interès.
Aquest disseny de proteïnes “de novo” permet crear computacionalment proteïnes inexistents en la naturalesa, fetes a mida, i que en el laboratori han demostrat grans avantatges en front a les naturals, per a aplicacions en biotecnologia i medicina, com son la gran estabilitat, facilitat de producció i el control sobre la seva estructura. Es mostraran casos d’èxit en el desenvolupament de proteïnes anticancerígenes, antivirals i com noves vacunes, entre altres.
A la part practica veurem eines interactives per a l’anàlisi i disseny de l’estructura de proteïnes mitjançant Rosetta i intel·ligència artificial.
S’introduirà el joc d’ordinador Foldit per predicció i disseny d’estructura de proteïnes basat en el programa de modelització Rosetta. Foldit es una eina molt útil des del punt de vista formatiu per a il·lustrar els principis del plegament tridimensional de proteïnes com a eina d’investigació per a la predicció i disseny de proteïnes aprofitant la intuïció humana. Posteriorment s’introduirà l’aplicació Colabdesign per el disseny de proteïnes mitjançant els darrers avenços d’intel·ligència artificial a través de la plataforma de càlcul en el núvol Google Colab.
Es requereix ordinador personal per part dels participants.
Sessió 5: Visita al Institut de Recerca Biomèdica de Barcelona.
Es realitzarà una visita a l’Institut de Recerca Biomèdica de Barcelona.
A la part pràctica us presentarem Proteïnoflexia, un taller per jugar a plegar proteïnes amb AlphaFold. Aquesta es una eina basada en intel·ligència artificial que ha sigut una revolució en el món de la biologia. No és necessari tenir coneixements previs d’informàtica o de biologia molecular, ja que es va dissenyar per ser utilitzat en aules de secundària. Mitjançant la predicció de plegament de proteïnes d’AlphaFold aprendrem a utilitzar una seqüència de proteïna per modelar nanoeines o nanoesculptures. Entendrem com és el procés científic d’extreure conclusions a partir de l’estudi de diferents evidències o experiments. I per aquest motiu es necessitarà un aparell amb connexió a internet (ordinador o tableta) i un compte de gmail que pugui compartir-se en grup de 2 o 3 persones.
Es requereix ordinador personal per part dels participants.
Destinataris
Professorat de secundària de Biologia i Geologia. Els socis del Seminari Permanent de Ciències Naturals (SPCN) tindran preferència en la inscripció, però el curs està obert a qualsevol persona que hi estigui interessada.
Responsables de la formació
Dr. Ignacio Fita (sessió 1), Dra. Maria J. Macias (sessió 2), Dra. Isabel Uson (sessió 3), Dr. Enrique Marcos (sessió 4), Dra. Joana Fort Baixeras i Dr. Manuel Palacin (sessió 5).
Calendari i horari
Cinc sessions, els dies següents:
• Sessió 1: dia 20 d’octubre de 2023, de 16:00 a 19:00
• Sessió 3: dia 10 de novembre de 2023, de 16:00 a 19:00
• Sessió 4: dia 17 de novembre de 2023, de 16:00 a 19:00
• Sessió 5: dia 24 de novembre de 2023, de 16:00 a 19:00
• Sessió 2: dia 1 de desembre de 2023, de 16:00 a 19:00
Hores a certificar
15 hores
Requisits de certificació
Assistència al 80 % de les hores presencials
Nombre de places
55 places
Lloc
Sessió 1: Aula Magna. Facultat de Ciències de la Terra de la Universitat de Barcelona (c. Martí i Franques, s/n, Barcelona)
Sessions 2, 3, 4 i 5: Institut de Recerca Biomèdica de Barcelona, Parc Científic de Barcelona (c. Baldiri Reixac, 10, Barcelona)
Preu
35 €
Gratuït per als socis del Seminari Permanent de Ciències Naturals (SPCN)
Idioma
Català i castellà
Modalitat
Presencial
Període d’inscripció
Del 17 al 24 d'octubre, ambdós inclosos
Inscripció per Internet: formulari de matrícula
Informació i consultes
A/e: idp.cursos@ub.edu
Tel.: 934035172
Les activitats organitzades per l’IDP-ICE tenen els mateixos efectes per al professorat que les activitats incloses en el Pla de formació permanent del Departament d’Educació.
Els certificats d’aquests cursos s’incorporen directament a l’expedient de formació de cada professor/a (XTEC) i es poden utilitzar com a acreditació per participar en els diferents concursos o convocatòries del Departament d’Educació de la Generalitat de Catalunya, amb els termes que indiqui cada convocatòria.
Per iniciar aquesta activitat cal que hi hagi un nombre mínim de persones inscrites.