Attività didattica. Banche dati biologiche

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1 Attività didattica Banche dati biologiche

2 TEMPI: durata totale dell attività 3 ore di lezione + 1 ora di attività a casa (1 ora di lezione nell'ambito del corso laboratorio didattico di biologia e scienze della vita del 22 maggio 2014) CLASSE DI RIFERIMENTO: 24 insegnanti frequentanti il percorso PAS

3 Obiettivi acquisiti dall'alunno mediante l attività: -utilizzare la strategia didattica webquest ; - consultare e analizzare informazioni contenute in banche dati biologiche (ricerca bibliografica mediante l uso di PubMed, elaborazione di sequenze nucleotidiche e proteiche mediante softwares dedicati); -comprendere le numerose informazioni reperite in lingua inglese, idioma ufficiale della cultura scientifica internazionale; -saper relazionare per iscritto su quanto ottenuto in seguito alla consultazione di siti opportuni, inserendo nella relazione tutte le informazioni utili per risolvere un quesito scientifico.

4 PREREQUISITI: - Struttura e funzione degli acidi nucleici (DNA ed RNA). - Il dogma della biologia: trascrizione e traduzione genica. - Il codice genetico e la sintesi proteica. - Rudimenti di biotecnologie: estrazione del DNA cellulare e tecniche di sequenziamento. - Le proteine: composizione, struttura e funzioni principali, con alcuni esempi specifici (struttura, luogo di produzione, funzioni dell ormone proteico insulina ed interazione con il suo recettore). - Le mutazioni geniche e le malattie che possono derivarne. - Le principali macromolecole organiche (lipidi, glucidi, acidi nucleici e proteine) ed il ruolo centrale del glucosio nel metabolismo umano. - Struttura testuale e argomentazione di un articolo scientifico

5 Materiali richiesti: - Libro di testo - Fotocopie con il percorso didattico proposto - Accesso ad internet per la consultazione online di opportuni siti web con softwares dedicati alla ricerca bibliografica (PubMed) e all elaborazione delle sequenze nucleotidiche ed amminoacidiche - Chiavetta USB per salvare i risultati ottenuti - Dizionario enciclopedico scientifico di lingua inglese.

6 STRATEGIA DIDATTICA: webquest Attività di ricerca su uno specifico argomento, finalizzata a svolgere un determinato compito L'alunno viene guidato in una serie di attività predefinite Le informazioni utilizzate dagli studenti provengono da risorse disponibili in Internet L ambiente di apprendimento è costituito da uno scenario, dalla descrizione dei compiti e dalle risorse; le finalità sono quelle di far acquisire capacità di ricerca in rete, di selezione del materiale e della sua utilizzazione finalizzata allo svolgimento di un compito. Ruolo accompagnato da un piano d'azione (richiede l osservazione di un protocollo)

7 L'attività di progettazione di un webquest dev'essere preceduta da una ricognizione attenta delle risorse disponibili nella rete relativamente ad un certo argomento Consente un buon uso di Internet Presuppone un ambiente strutturato in cui interagiscono gruppi di studenti che cooperano per un obiettivo comune Efficace il tempo speso dagli allievi nella loro attività di navigazione in internet. La rete, per la quantità di informazioni in essa depositata può infatti essere assai dispersiva quando non viene utilizzata avendo chiari gli scopi per i quali ci si rivolge.

8 FASI DI LAVORO NOTA: Il percorso proposto in maniera guidata individua una precisa e serrata serie di passaggi per la consultazione di internet e di opportuni siti dedicati alla bioinformatica ottimizzando i tempi di ricerca, senza troppe dispersioni. Fornisce, inoltre, agli studenti suggerimenti sulle informazioni chiave che possono essere estrapolate dal gran numero di risultati che a volte si ottengono dalla consultazione di questi siti, stimolando il senso critico e soprattutto la selezione dei risultati utili, soprattutto in relazione alle proprie conoscenze di base ed alla programmazione didattica affrontata in classe.

9 FASE 1 LANCIO EMOTIVO COGNITIVO L insegnante [Tempo: 20 minuti] -descrive lo scenario dell'attività in modo da introdurre gli alunni al compito che li attende (presentazione del quesito scientifico allegato n.1) - suddivide gli alunni in gruppi di lavoro (3 alunni per gruppo) Gli allievi - assumono il ruolo di genetisti (cercano informazioni su 2 sequenze nucleotidiche che hanno ricavato in seguito all estrazione del DNA da un campione di cellule umane ed al successivo sequenziamento di tale DNA).

10 FASE 2 RIORGANIZZAZIONE DEI SAPERI [Tempo: 30 minuti] L insegnante, attraverso una presentazione ppt (allegato n. 2), fornisce le seguenti informazioni di base necessarie agli alunni per svolgere il compito: la bioinformatica come ambito multidisciplinare e le sue potenzialità le principali banche dati accessibili online (es. PubMed, EMBL, GenBank, DDBJ); i principali softwares per l elaborazione delle sequenze nucleotidiche e proteiche (Prosite, Blast, Smart, Ensembl.), come accedervi e quali informazioni poter ottenere da ciascuno di essi (query)

11 Tutti gli alunni ricevono: FASE 3 INIZIO [Tempo: 10 minuti] una copia del quesito scientifico di partenza (allegato n. 1); un foglio con gli aspetti pratici dell esercitazione (protocollo) in cui sono indicati i passaggi attraverso i quali gli studenti portano a termine il compito (allegato 3); un file nel quale sono riportate le 2 sequenze nucleotidiche ignote, denominate DNA 1 e DNA 2 (allegato 4).

12 FASE 4 [Tempo: 50 minuti] Gli studenti: - studiano il quesito scientifico ricevuto; - sulla base del protocollo ricevuto, effettuano la ricerca relativa al DNA 1 e salvano tutti i dati ottenuti. L insegnante: - svolge la funzione di consulente e di mediatore in quanto l attività è affidata agli allievi. LUOGO: laboratorio di informatica dotato di computer individuali e connessione ad internet.

13 FASE 5 [Tempo: 50 minuti] Gli studenti, in laboratorio di informatica, ripetono il percorso proposto per la sequenza ignota DNA 2 e rispondono ai medesimi quesiti posti nei punti precedenti.

14 FASE 6 [Tempo: 60 minuti] Lavoro a casa per rielaborare i risultati ottenuti in laboratorio di bioinformatica e produrre la relazione finale.

15 FASE 6 CHIUSURA [Tempo: 30 minuti] Confronto e discussione in classe sui risultati ottenuti dal lavoro di ricerca Compilazione scheda riflessione metacognitiva Consegna al docente delle relazioni per una valutazione del lavoro svolto

16 allegato n.1: quesito scientifico

17 QUESITO SCIENTIFICO Avete a disposizione 2 sequenze nucleotidiche che vi siete ricavati in seguito all estrazione del DNA da un campione di cellule umane ed al successivo sequenziamento di tale DNA affidandovi alle tecniche appropriate. Avete salvato la successione di basi di tali sequenze in un file opportuno. Non conoscete nulla dei frammenti di DNA che avete in mano: non sapete se è DNA codificante, se è DNA spazzatura, se gli eventuali prodotti genici hanno un ruolo fondamentale nelle attività metaboliche dell uomo, se esistono patologie gravi dovute al mancato funzionamento di questi geni. Come procedere per cercare di comprendere la funzione di tale DNA? Avete a disposizione: -i databases di sequenze nucleotidiche ed amminoacidiche studiate in altri laboratori e depositate per la comunità scientifica mondiale. Opportuni softwares per l analisi ed il confronto tra le sequenze vi supporteranno nel vostro percorso. - PubMed, la banca dati per eccellenza della letteratura medica e biologica.

18 allegato n.2: ppt bioinformatica

19 Bioinformatica Banche dati biologiche

20 La bioinformatica Nasce alla fine degli anni 70 quando vennero sequenziati i genomi di centinaia di organismi e cominciò a nascere l esigenza di avere a disposizione sistemi informatici per l archiviazione e l analisi di dati di sequenza è una disciplina scientifica dedicata alla risoluzione di problemi biologici a livello molecolare con metodi informatici Ob. organizzare le conoscenze acquisite a livello globale (in rete, su scala mondiale) su genoma (= insieme dei geni di un organismo) e proteoma (= insieme di proteine prodotte dalle cellule di un organismo) in banche dati (o database) al fine di rendere tali dati accessibili, rapidamente e gratuitamente, a tutti.

21 Tra i compiti della bioinformatica mettere a punto dei sistemi idonei per collezionare ed interrogare l enorme mole di dati biologici La bioinformatica include: - database che raccolgono dati sperimentali prodotti nei laboratori di ricerca - software per la navigazione in banche dati

22 Banche dati biologiche = insieme organizzato di informazioni e dati che provengono da studi in laboratori di ricerca, centri di bioinformatica, pubblicazioni scientifiche strutturati e organizzati in modo da essere consultabili e utilizzabili nel miglior modo possibile Ogni banca dati biologica è caratterizzata da un elemento biologico centrale che costituisce l oggetto principale intorno al quale viene costruita la entry della banca dati. Es. di elemento centrale: 1) la sequenza nucleotidica di DNA nelle banche dati di acidi nucleici 2) promotore nelle banche dati di promotori eucariotici. Ciascuna entry raccoglie tutte le informazioni che caratterizzano l elemento centrale.

23 I Database di primo livello raccolgono sequenze nucleotidiche (DNA, RNA) o proteiche e rendono disponibili informazioni per identificare le specie da cui hanno origine le sequenze e le loro funzioni. I Database specializzati raccolgono informazioni più specifiche sulla tassonomia, le funzioni, le pubblicazioni scientifiche, le malattie correlate alle mutazioni

24 Tipi di banche dati: Banche dati di letteratura scientifica (PubMed) Banche dati di sequenze nucleotidiche (EMBL, GenBank, DDBJ) Banche dati di geni (LocusLink, GeneCards, RefSeq, UniGene) Banche dati di genomi (Ensembl) Banche dati di prodotti di trascrizione (dbest, UniGene) Banche dati di polimorfismi e mutazioni (dbsnps, HGMD) Banche dati di sequenze proteiche (SwissProt, UniProt, PIR) Banche dati di motivi e domini proteici (PROSITE, Pfam) Banche dati di strutture proteiche (PDB, CATH e SCOP) Banche dati di pathways metabolici (ENZYME, PATHWAYS) Banche dati mitocondriali (MITOMAP) Banche dati di malattie genetiche (OMIM)

25 ( E considerata la banca dati per eccellenza della letteratura medica e biologica. E consultabile in modo gratuito e permette il link diretto ai siti delle riviste per visionare o scaricare l articolo (gratuitamente o a pagamento a seconda della policy della rivista). Le ricerche in PubMed possono essere effettuate tramite diverse opzioni: 1. Autore 2. Rivista 3. Parole chiave

26 How do I search PubMed? 1.Identify the key concepts for your search. 2.Enter the terms (or key concepts) in the search box. 3.Click Search.

27 Anatomy of the Summary Results

28 Esempio PUBMED

29 Esempio risultato ricerca (maggio 2014)

30 Un ulteriore esempio

31 Be PubMed proficient. Take the PubMed Tutorial

32 = è di fondamentale utilità la costruzione di una rete di sapere, di conoscenze e di dati, prodotti dai ricercatori di tutto il mondo, al fine di costruire un bagaglio comune, accreditato da comitati scientifici, consultabile online, per evitare di duplicare gli esperimenti per poter usufruire di quanto già pubblicato da altri ricercatori per poter proseguire al meglio e finalizzare le proprie linee di ricerca, ottimizzando costi e tempi.

33 NCBI - NCBI National Center for Biotechnology Information. Gestisce un gran numero di DB tra i quali: Gene Contiene dati inerenti i geni di tutte le specie caratterizzate, quali la struttura genica ed il contesto genomico, le interazioni con altri geni ed i link alle sequenze ed alla relative pubblicazioni scientifiche. Nucleotide Contiene le sequenze nucleotidiche di tutte le specie caratterizzate, siano esse codificanti o meno. Protein Ha la stessa struttura di Nucleotide ma è relativo alle sequenze aminoacidiche. Pubmed E il database delle pubblicazioni scientifiche di carattere biologico e biomedico. Per ogni articolo è disponibile l abstract. Pubmed Central contiene articoli completi scaricabili gratuitamente. Taxonomy Contiene la classificazione dei vari organismi;

34 portale di risorse bioinformatiche gestito dall'istituto svizzero di bioinformatica (SIB) dispone di una funzione di ricerca attraverso risorse selezionate. consente di accedere a molte risorse scientifiche, database e strumenti software in diverse aree delle scienze della vita (proteomica, genomica, filogenesi ed evoluzione, genetica di popolazione, trascrittomica, ecc.) contiene numerosissimi tools per lavorare, elaborare e confrontare sequenze di proteine ed acidi nucleici.

35 Dalla finestra Expasy Tools iniziale DNA -> Protein TRANSLATE Translate is a tool which allows the translation of a nucleotide (DNA/RNA) sequence to a protein sequence. BLAST at NCBI> protein BLAST Similarity searches BLASTP programs search protein databases using a protein query.

36 allegato n.3: protocollo esercitazione Nota: rielaborazione di materiale didattico disponibile in rete

37 Aspetti pratici dell esercitazione: NB: Per la stesura della relazione si consiglia di copiare, incollare e salvare su un documento word i risultati salienti della ricerca nei vari database che ci hanno suggerito importanti informazioni sulla probabile struttura e funzione delle sequenze di DNA a nostra disposizione. 1) Aprite il file con le 2 sequenze nucleotidiche ignote, denominate DNA 1 e DNA 2. 2) Aprite in un altra finestra il sito: Notate che in questo sito trovate numerosissimi tools (letteralmente arnese o attrezzo!) per lavorare, elaborare e confrontare sequenze di proteine ed acidi nucleici. 3) Nella sezione denominata DNA PROTEIN aprite il tool Traslate : questa opzione vi permetterà di tradurre la vostra sequenza di DNA in proteina.

38 4) Copiate ed incollate nell apposito riquadro la sequenza DNA 1. Selezionate nel menù a tendina l opzione Verbose (Met, Stop, spaces between residues), infine cliccate su TRANSLATE SEQUENCE. Si ottiene così la struttura primaria della proteina in studio. Tra le 6 cornici di lettura proposte, se ne trovate una che origina una proteina intera, cioè senza interruzioni e codoni di stop intermedie, che inizi con una Metionina (Met, il codone corrispondente all amminoacido che dà lo start alla sintesi proteica sul ribosoma) e termini con un codone di Stop, significa che la sequenza che avete in mano codifica per un prodotto genico = proteina presumibilmente funzionale e non è DNA spazzatura. In alternativa, se tutte le cornici di lettura sono inframezzate da numerosi codoni di stop, cioè arresto della traduzione, la sequenza di DNA non è codificante. La sequenza DNA 1 è un gene codificante o DNA spazzatura?

39 5) Copiate l ipotetica sequenza proteica ignota (senza le eventuali X iniziali e senza il codone di Stop finale) ed incollatela nel documento word con le sequenze ignote, chiamandola >PROTEINA 1. Salvate il documento modificato per non perdere il lavoro fatto. 6) Tornate indietro alla pagina principale degli Expasy Tools per cercare qualche programma che possa aiutarvi a comprendere struttura e funzione della Proteina 1 ignota. Tra le numerosissime possibilità, scegliete di utilizzare: Similarity searches>blast at NCBI> protein BLAST (circa a metà pagina): questo tool vi fornisce la comparazione tra la vostra proteina ignota e le sequenze proteiche presenti nel database. Copiate ed incollate la sequenza >PROTEINA 1 nell apposito box e non cambiate alcuna opzione tra quelle selezionabili nella pagina. Cliccate su BLAST ed attendere il risultato. A quale proteina risulta omologa quella che state studiando? 7) Ripetete il percorso proposto per la sequenza ignota DNA 2 e rispondete ai medesimi quesiti posti nei punti precedenti.

40 8) Adesso che avete compreso le funzioni del DNA 1 e del DNA 2 provate ad accedete alla home page della rivista PubMed ( Inserire nel campo di ricerca il nome della vostra proteina 1. Quanti articoli si ottengono? Sono presenti articoli pubblicati sulla rivista "Science"? Quanti? Se effettuate la ricerca con una query più ristretta (ad esempio ".."), quanti articoli trovate? Cercate nel database PubMed un articolo di vostro interesse sulla proteina Riportate nel vostro file la query effettuata ed il titolo dell'articolo che, dalla lista dei risultati, vi sembra più interessante. Potete cercare qualche altro dato (ad esempio riguardo la struttura della proteina, la funzione e la modalità di azione) su comuni motori di ricerca di Internet oppure consultando il seguente sito:

41 9) Ciascun componente del gruppo, attraverso una relazione, - esponga e interpreti le informazioni raccolte studiando le 2 proteine ignote; - tragga le proprie conclusioni sull utilità di softwares bioinformatici e banche dati. Nota: Lunghezza massima del testo: 1 cartella (30 righe) Margine: 3 cm ogni lato Interlinea: 1,5 Carattere: Arial 11 Intestazione: nome, cognome, classe, data Puoi inserire eventuali allegati.

42 allegato n.4: sequenze nucleotidiche ignote

43 >DNA 1 (333 nt) atggccctgtggatgcgcctcctgcccctgctggcgctgctggccctctggggacctgacccagccgcagcctttgtgaaccaacacctgtgcggctcacacct ggtggaagctctctacctagtgtgcggggaacgaggcttcttctacacacccaagacccgccgggaggcagaggacctgcaggtggggcaggtggagctg ggcgggggccctggtgcaggcagcctgcagcccttggccctggaggggtccctgcagaagcgtggcattgtggaacaatgctgtaccagcatctgctccctct accagctggagaactactgcaactag

44 >DNA 2 (4149 nt) atgggcaccggcggccgccgcggcgcggcggcggcgccgctgctggtggcggtggcggcgctgctgctgggcgcggcgggccatctgtatccgggcgaagtgtgcccgggca tggatattcgcaacaacctgacccgcctgcatgaactggaaaactgcagcgtgattgaaggccatctgcagattctgctgatgtttaaaacccgcccggaagattttcgcgatctgag ctttccgaaactgattatgattaccgattatctgctgctgtttcgcgtgtatggcctggaaagcctgaaagatctgtttccgaacctgaccgtgattcgcggcagccgcctgttttttaactatg cgctggtgatttttgaaatggtgcatctgaaagaactgggcctgtataacctgatgaacattacccgcggcagcgtgcgcattgaaaaaaacaacgaactgtgctatctggcgaccat tgattggagccgcattctggatagcgtggaagataactatattgtgctgaacaaagatgataacgaagaatgcggcgatatttgcccgggcaccgcgaaaggcaaaaccaactgc ccggcgaccgtgattaacggccagtttgtggaacgctgctggacccatagccattgccagaaagtgtgcccgaccatttgcaaaagccatggctgcaccgcggaaggcctgtgctg ccatagcgaatgcctgggcaactgcagccagccggatgatccgaccaaatgcgtggcgtgccgcaacttttatctggatggccgctgcgtggaaacctgcccgccgccgtattatc attttcaggattggcgctgcgtgaactttagcttttgccaggatctgcatcataaatgcaaaaacagccgccgccagggctgccatcagtatgtgattcataacaacaaatgcattccgg aatgcccgagcggctataccatgaacagcagcaacctgctgtgcaccccgtgcctgggcccgtgcccgaaagtgtgccatctgctggaaggcgaaaaaaccattgatagcgtga ccagcgcgcaggaactgcgcggctgcaccgtgattaacggcagcctgattattaacattcgcggcggcaacaacctggcggcggaactggaagcgaacctgggcctgattgaa gaaattagcggctatctgaaaattcgccgcagctatgcgctggtgagcctgagcttttttcgcaaactgcgcctgattcgcggcgaaaccctggaaattggcaactatagcttttatgcg ctggataaccagaacctgcgccagctgtgggattggagcaaacataacctgaccaccacccagggcaaactgttttttcattataacccgaaactgtgcctgagcgaaattcataaa atggaagaagtgagcggcaccaaaggccgccaggaacgcaacgatattgcgctgaaaaccaacggcgataaagcgagctgcgaaaacgaactgctgaaatttagctatattc gcaccagctttgataaaattctgctgcgctgggaaccgtattggccgccggattttcgcgatctgctgggctttatgctgttttataaagaagcgccgtatcagaacgtgaccgaatttgat ggccaggatgcgtgcggcagcaacagctggaccgtggtggatattgatccgccgctgcgcagcaacgatccgaaaagccagaaccatccgggctggctgatgcgcggcctga aaccgtggacccagtatgcgatttttgtgaaaaccctggtgacctttagcgatgaacgccgcacctatggcgcgaaaagcgatattatttatgtgcagaccgatgcgaccaacccga gcgtgccgctggatccgattagcgtgagcaacagcagcagccagattattctgaaatggaaaccgccgagcgatccgaacggcaacattacccattatctggtgttttgggaacgc caggcggaagatagcgaactgtttgaactggattattgcctgaaaggcctgaaactgccgagccgcacctggagcccgccgtttgaaagcgaagatagccagaaacataacca gagcgaatatgaagatagcgcgggcgaatgctgcagctgcccgaaaaccgatagccagattctgaaagaactggaagaaagcagctttcgcaaaacctttgaagattatctgca taacgtggtgtttgtgccgcgcaaaaccagcagcggcaccggcgcggaagatccgcgcccgagccgcaaacgccgcagcctgggcgatgtgggcaacgtgaccgtggcggtg ccgaccgtggcggcgtttccgaacaccagcagcaccagcgtgccgaccagcccggaagaacatcgcccgtttgaaaaagtggtgaacaaagaaagcctggtgattagcggcc tgcgccattttaccggctatcgcattgaactgcaggcgtgcaaccaggataccccggaagaacgctgcagcgtggcggcgtatgtgagcgcgcgcaccatgccggaagcgaaa gcggatgatattgtgggcccggtgacccatgaaatttttgaaaacaacgtggtgcatctgatgtggcaggaaccgaaagaaccgaacggcctgattgtgctgtatgaagtgagctat cgccgctatggcgatgaagaactgcatctgtgcgtgagccgcaaacattttgcgctggaacgcggctgccgcctgcgcggcctgagcccgggcaactatagcgtgcgcattcgcg cgaccagcctggcgggcaacggcagctggaccgaaccgacctatttttatgtgaccgattatctggatgtgccgagcaacattgcgaaaattattattggcccgctgatttttgtgtttctg tttagcgtggtgattggcagcatttatctgtttctgcgcaaacgccagccggatggcccgctgggcccgctgtatgcgagcagcaacccggaatatctgagcgcgagcgatgtgtttcc gtgcagcgtgtatgtgccggatgaatgggaagtgagccgcgaaaaaattaccctgctgcgcgaactgggccagggcagctttggcatggtgtatgaaggcaacgcgcgcgatatt attaaaggcgaagcggaaacccgcgtggcggtgaaaaccgtgaacgaaagcgcgagcctgcgcgaacgcattgaatttctgaacgaagcgagcgtgatgaaaggctttacctg ccatcatgtggtgcgcctgctgggcgtggtgagcaaaggccagccgaccctggtggtgatggaactgatggcgcatggcgatctgaaaagctatctgcgcagcctgcgcccggaa gcggaaaacaacccgggccgcccgccgccgaccctgcaggaaatgattcagatggcggcggaaattgcggatggcatggcgtatctgaacgcgaaaaaatttgtgcatcgcga tctggcggcgcgcaactgcatggtggcgcatgattttaccgtgaaaattggcgattttggcatgacccgcgatatttatgaaaccgattattatcgcaaaggcggcaaaggcctgctgc cggtgcgctggatggcgccggaaagcctgaaagatggcgtgtttaccaccagcagcgatatgtggagctttggcgtggtgctgtgggaaattaccagcctggcggaacagccgtat cagggcctgagcaacgaacaggtgctgaaatttgtgatggatggcggctatctggatcagccggataactgcccggaacgcgtgaccgatctgatgcgcatgtgctggcagtttaa cccgaaaatgcgcccgacctttctggaaattgtgaacctgctgaaagatgatctgcatccgagctttccggaagtgagcttttttcatagcgaagaaaacaaagcgccggaaagcg aagaactggaaatggaatttgaagatatggaaaacgtgccgctggatcgcagcagccattgccagcgcgaagaagcgggcggccgcgatggcggcagcagcctgggctttaa acgcagctatgaagaacatattccgtatacccatatgaacggcggcaaaaaaaacggccgcattctgaccctgccgcgcagcaacccgagctga