Biologia Sintètica i Enginyeria Metabòlica
Codi: 43330 Crèdits: 6| Titulació | Tipus | Curs | Semestre |
|---|---|---|---|
| 4314579 Enginyeria Biològica i Ambiental | OT | 1 | 2 |
Professor/a de contacte
- Nom:
- Joan Albiol Sala
- Correu electrònic:
- Joan.Albiol@uab.cat
Utilització d'idiomes a l'assignatura
- Llengua vehicular majoritària:
- espanyol (spa)
Altres indicacions sobre les llengües
Bona part del material subministrat es troba en anglèsEquip docent
- Pau Ferrer Alegre
Prerequisits
Es imprescindible que l'estudiant tingui coneixements a nivell mitjà de Matemàtiques, Química, Microbiologia i a nivell bàsic de Biologia Molecular.
Objectius
L'objectiu d'aquest mòdul és que l'alumne explori, assoleixi un elevat grau de comprensió i pugui avaluar les diferents metodologies emergents en els camps de la Biologia Sintètica, la Biologia de sistemes i l'Enginyeria Metabòlica. Incloent les plataformes '-òmiques' per a l'anàlisi quantitatiu integral i global de la fisiologia cel·lular com a base de coneixement per a l'enginyeria enzimàtica i l'enginyeria metabòlica. És a dir per al disseny i la millora racional de biocatalitzadors (enzims, microorganismes i línies cel·lulars) amb l'objectiu de la seva aplicació industrial i terapèutica.
Competències
- Aplicar la metodologia de recerca, tècniques i recursos específics per investigar i produir resultats innovadors en l'àmbit de l'enginyeria biològica i ambiental
- Cercar informació en la literatura científica utilitzant els canals apropiats i integrar la informació esmentada amb capacitat de síntesi, anàlisi d'alternatives i debat crític
- Integrar i fer ús d'eines de biotecnologia i d'enginyeria de bioprocessos per resoldre problemàtiques en àmbits biotecnològics emergents industrials de producció de bioproductes.
- Integrar i utilitzar eines d'enginyeria química, ambiental i biològica per dissenyar sistemes biològics enfocats al tractament sostenible de residus i a processos biotecnològics industrials
- Que els estudiants sàpiguen comunicar les seves conclusions, així com els coneixements i les raons últimes que les fonamenten, a públics especialitzats i no especialitzats d'una manera clara i sense ambigüitats.
- Que els estudiants sàpiguin aplicar els coneixements adquirits i la seva capacitat de resolució de problemes en entorns nous o poc coneguts dins de contextos més amplis (o multidisciplinaris) relacionats amb la seva àrea d'estudi.
- Que els estudiants tinguin les habilitats d'aprenentatge que els permetin continuar estudiant, en gran manera, amb treball autònom a autodirigit.
- Tenir coneixements que aportin la base o l'oportunitat de ser originals en el desenvolupament o l'aplicació d'idees, sovint en un context de recerca.
- Treballar en un equip multidisciplinari
- Utilitzar les eines informàtiques per complementar els coneixements en l'àmbit de l'enginyeria biològica i ambiental
Resultats d'aprenentatge
- "Utilitzar de manera combinada metodologies i eines analítiques i computacionals per fer l'anàlisi quantitativa, el tractament massiu de dades i la modelització (plataformes ""òmiques"" i biologia de sistemes) d'organismes o parts d’organismes."
- Aplicar la metodologia de recerca, tècniques i recursos específics per investigar i produir resultats innovadors en l'àmbit de l'enginyeria biològica i ambiental
- Cercar informació en la literatura científica utilitzant els canals apropiats i integrar la informació esmentada amb capacitat de síntesi, anàlisi d'alternatives i debat crític
- Elaborar criteris per a l’ús combinat de tècniques de millora no dirigides i dirigides (enginyeria metabòlica i biologia sintètica).
- Identificar els avantatges i els inconvenients de les tecnologies emergents en els camps de la biologia sintètica i la biologia de sistemes
- Identificar les característiques bàsiques i la utilitat de les diferents eines computacionals de tractament massiu de dades i modelització cel·lular/metabòlica.
- Investigar l’aplicabilitat de plataformes òmiques per a l’adquisició de dades fisiològiques dirigida al disseny experimental d’estratègies de millora de factories cel·lulars.
- Que els estudiants sàpiguen comunicar les seves conclusions, així com els coneixements i les raons últimes que les fonamenten, a públics especialitzats i no especialitzats d'una manera clara i sense ambigüitats.
- Que els estudiants sàpiguin aplicar els coneixements adquirits i la seva capacitat de resolució de problemes en entorns nous o poc coneguts dins de contextos més amplis (o multidisciplinaris) relacionats amb la seva àrea d'estudi.
- Que els estudiants tinguin les habilitats d'aprenentatge que els permetin continuar estudiant, en gran manera, amb treball autònom a autodirigit.
- Tenir coneixements que aportin la base o l'oportunitat de ser originals en el desenvolupament o l'aplicació d'idees, sovint en un context de recerca.
- Treballar en un equip multidisciplinari
- Utilitzar les eines informàtiques per complementar els coneixements en l'àmbit de l'enginyeria biològica i ambiental
- Utilitzar les metodologies pròpies per dissenyar i millorar racionalment (biologia sintètica i enginyeria metabòlica) enzims, organismes i línies cel·lulars d'aplicació industrial
Continguts
Llevat que les restriccions imposades per les autoritats sanitàries obliguin a una priorització o reducció de continguts, aquests inclouran:
1.- Plataformes òmiques: Aplicació d'eines analítiques de la Biologia de Sistemes de tipus 'òmic' - de la genòmica, la transcriptòmica, la metabolòmica i la fluxòmica- a l'enginyeria d'organismes industrials.
2.- Enginyeria Metabòlica i Biologia de Sistemes: Anàlisi 'bottom-up' i modelització de la funció cel·lular/metabolisme. Teoria del control metabòlic. Disseny in-silico de modificacions (millores) genètiques dirigides. Anàlisi 'top-down', a partir de les dades obtingudes de plataformes analítiques 'òmiques, incloent el tractament massiu de dades i l'anàlisi multinivell dels mateixos. Anàlisi global del metabolisme per mitjà de models in-silico a escala genoma. Casos d'estudi: Aplicacions de l'enginyeria metabòlica i la biotecnologia de
sistemes per a la millora de soques productores de molècules petites (aminoàcids, antibiòtics, etc,...) y/o obtenció de soques robustes adaptades a les condicions de processos industrials (tolerància a compostos tòxics,...).
3.- Biologia sintètica Aplicada: Disseny i construcció de nous organismes industrials o parts dels mateixos - per exemple reconstrucció de noves rutes metabòliques- per crear factories cel·lulars i biocatalitzadors per a la producció eficient de components biològics, biocombustibles de nova generació (butanol, etc...), APIs, enzims industrials y proteïnes terapèutiques.
4.- Tècniques de gran rendiment ('high throughput'): Aplicació de tècniques de millora no dirigida (i la combinació amb estratègies d'enginyeria metabòlica) per a la optimització d'enzims, organismes i línies cel·lulars industrials: evolució dirigida, mutagènesi, 'screening' de llibreries, etc... . Casos d'estudi: Obtenció d'enzims tolerants a solvents, pH, temperatures extremes etc. Obtenció de soques robustes i línies cel·lulars per a processos industrials. Casos d'estudi: Tolerancia a l'etanol, compostos fenòlics, elevada osmolaritat,
etc...
Metodologia
La metodologia docent proposada pot experimentar alguna modificació en funció de les restriccions a la presencialitat que imposin les autoritats sanitàries.
La metodologia docent que s'emprarà durant tot el procés d'aprenentatge es basa fonamentalment en el treball de l'estudiant i seràn els professors els encarregats d'ajudar-lo tant pel que fa a l'adquisició i interpretació de la informació relacionada amb l'assignatura com en la direcció del seu treball. De manera general les activitats formatives es distribuiran en les següents tipologies:
Classes magistrals de teoria: Serviran per a proporcionar a l'alumne els elements conceptuals bàsics i la informació mínima necessària per a que pugui després desenvolupar un aprenentatge autònom. S'utilitzaran recursos informàtics (presentacions ppt o pdf) que estaran a disposició de l'alumne a la plataforma virtual.
Practiques d'ordinador: Part de les competències de l'assignatura s'adquiriran mitjançant pràctiques a l'ordinador. En aquest cas es farà servir el software més convenient per tal de d'entendre millor el comportament dels sistemes biològics, fer-ne diverses anàlisis, així com poder dissenyar i assajar in-silico diverses metodologies de millora de soques com a pas previ a la seva aplicació al laboratori.
Treball en grup: També s'assignarà a grups reduits d'alumnes un treball en grup basat en una publicació científica que es presentarà als companys de classe.
Tutories: Es podran realitzar tutories individuals a petició dels alumnes. L'objectiu d'aquestes serà, per exemple, el de resoldre dubtes i/o orientar sobre les fonts d'informació consultades.
Activitats formatives
| Títol | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|
| Tipus: Dirigides | |||
| Classes magistrals/expositives | 22 | 0,88 | 1, 2, 4, 5, 7, 11, 14 |
| Pràctiques d'aula (ordinador) | 16 | 0,64 | 5, 6, 13 |
| Tipus: Supervisades | |||
| Elaboració de treballs, resolució d'exercicis o casos pràctics | 7 | 0,28 | 2, 7, 9, 11 |
| Tipus: Autònomes | |||
| Elaboració de treballs, resolució d'exercicis o casos pràctics | 58 | 2,32 | 3, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13 |
| Estudi personal | 39 | 1,56 | 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 13, 14 |
Avaluació
L’avaluació proposada pot experimentar alguna modificació en funció de les restriccions a la presencialitat que imposin les autoritats sanitàries.
Procés i activitats d'avaluació programades:
- Activitat A: Lliurament d'exercicis pràctics amb ordinador avaluables: 30% sobre la qualificació final
- Activitat B: Defensa oral del treball: 30% sobre la qualificació final
- Activitat C: Proves teòric-pràctiques: 30% sobre la qualificació final
- Activitat D: Assistència i participació activa a les classes: 10% sobre la qualificació final
Cal tenir en compte que l’activitat D és no recuperable. Per tant qualsevol activitat de recuperació no permetrà assolir la màxima nota.
Programació d'activitats d'avaluació:
Les dates de les proves escrites i de lliurament i presentació de treballs es publicaran al calendari acadèmic o al campus virtual i poden estar subjectes a possibles canvis de programació per motius d'adaptació a possibles incidències. Sempre s'informarà a la plataforma virtual sobre aquests canvis ja que s'entén que aquesta és la plataforma habitual d'intercanvi d'informació entre professors i estudiants
Per a cada activitat d’avaluació del tipus A o C, s’indicarà un lloc, data i hora de revisió en la que l'estudiant podrà revisar l’activitat amb el professor. Si l'estudiant no es presenta a aquesta revisió, no es revisarà posteriorment aquesta activitat.
Recuperació: En cas de no superar l’assignatura pel procediment anterior es preveu una prova de síntesi per a poder recuperar l’assignatura. Cal tenir en conte que la nota màxima assolible en aquesta prova és de Notable. Per poder accedir a la prova de recuperació és necessari haver assistit al menys a les dues terceres parts de les activitats avaluables.
No Avaluable: Tot alumne que no presenti com a mínim a les dues terceres parts de les activitats avaluables descrites prèviament serà qualificat com a No Avaluable.
Matricules d’honor: Atorgar una qualificació de matrícula d’honor (MH) és decisió del professorat responsable de l’assignatura. La normativa de la UAB indica que les MH només es podran concedir a estudiants que hagin obtingut una qualificació final igual o superior a 9.00. Es pot atorgar fins a un 5% de MH del total d'estudiants matriculats.
Plagi: Sense perjudici d'altres mesures disciplinàries que s'estimin oportunes, i d'acord amb la normativa acadèmica vigent, es qualificaran amb un zero les irregularitats comeses per l'estudiant que puguin conduir a una variació de la qualificació d'un acte d'avaluació. Per tant, la còpia, el plagi, l’engany, deixar copiar, etc. en qualsevol de les activitats d’avaluació implicarà suspendre-la amb un zero. Les activitats d’avaluació qualificades d'aquesta forma i per aquest procediment no seran recuperables. Si és necessari superar qualsevol d'aquestes activitats d'avaluació per aprovar l'assignatura, aquesta assignatura quedarà suspesa directament, sense oportunitat de recuperar-la en el mateix curs. En aquest cas la nota de l’assignatura serà un 3.5.
Avaluació dels estudiants repetidors: A partir de la segona matrícula, l’avaluació de l’assignatura consistirà en una prova de síntesi. Alternativament la nota final de l’assignaturapodrà calcular-se com la mitjana de les activitats A, B i C. Per poder optar a aquesta avaluació diferenciada, l’estudiant repetidor ho ha de demanar al professor mitjançant correu electrònic (joan.albiol@uab.cat) com a molt tard 8 dies després de l’inici de les classes.
Activitats d'avaluació
| Títol | Pes | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|---|
| Asistència i participació activa a les classes (activitat D) | 10 | 0 | 0 | 5, 8, 10, 12 |
| Exercicis avaluables recollits durant les practiques d'ordinador (activity A) | 30 | 0 | 0 | 1, 2, 3, 9, 13, 14 |
| Presentació del treball en grup (activitat B) | 30 | 5 | 0,2 | 1, 4, 6, 7, 8, 12, 14 |
| Proves o examens escrits (activitat C) | 30 | 3 | 0,12 | 2, 4, 5, 9, 11 |
Bibliografia
Alon, U. An Introduction to Systems Biology. Design principles of biological circuits. Boca raton: Second edition. Chapman & Hall/CRC. 2019.
Klipp, E., R. Herwig, A. Kowald, C. Wierling, i H. Lehrach. Systems Biology in Practice. Concepts implementation and application. Weinheim: Wiley-VCH, 2005.
Klipp, E., W. Liebermeister, C. Wierling, A. Kowald; Systems Biology. A textbook 2nd. Weinheim: Wiley-VCH, 2016.
Klipp, E., W. Liebermeister, C. Wierling, A. Kowald, H. Lehrach, Herwig R. Systems Biology. A textbook. Weinheim: Wiley-VCH, 2009.
Nielsen J., Hohmann S., Lee S. Y. Systems Biology (Advanced Biotechnology) 1st Edition.Wiley-Blackwell , 2017.
Palsson, B.O. Systems Biology. Properties of reconstructed networks. Cambridge: Cambridge University Press, 2006.
Palsson, B.O. Systems Biology. Simulation of dynamic network states. Cambridge: Cambridge University Press, 2011.
Stephanopoulos G.N. Aristidou A.A. Nielsen J. Metabolic Engineering. Principles and Methodologies. Academic Press. San Diego. USA, 1998
Szallasi, Z., V. Periwal, i J. Stelling, . System Modeling in Cellular Biology: From Concepts to Nuts and Bolts. The MIT Press, 2006.