Structural bioinformatics - MB151P116

• Title: Strukturní bioinformatika
• Czech title: Strukturní bioinformatika
• Guaranteed by: Department of Cell Biology (31-151)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2019 to 2023
• Semester: winter
• E-Credits: 5
• Examination process: winter s.:combined
• Hours per week, examination: winter s.:3/2, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Note: enabled for web enrollment
• Guarantor: prof. Ing. Bohdan Schneider, CSc.; Mgr. Marian Novotný, Ph.D.
• Teacher(s): Ing. Jiří Černý, Ph.D.; Mgr. Marian Novotný, Ph.D.; prof. Ing. Bohdan Schneider, CSc.
• Incompatibility : MC260P86

Annotation

Last update: Mgr. Marian Novotný, Ph.D. (05.09.2023)

Předmět vás naučí základům strukturní bioinformatiky, která studuje principy výstavby biomolekul jako
prostorových útvarů. Dosahuje toho tvorbou nástrojů k jejich studiu, archivaci, popisu i předpovědím.
Předmět reflektuje nejnovější vývoj v oblasti hlubokého strojového učení a je rozšířen i o oblast protein
design, která se v poslední době aktivně rozvíjí. Pro úspěšné splnění předmětu jsou vhodné znalosti
základů operací v Unix shell.

Moodle stránka předmětu:
https://dl2.cuni.cz/course/view.php?id=2382

Literature

Last update: Mgr. Marian Novotný, Ph.D. (05.09.2023)

Základní učebnice:
J. Gu; P. Bourne: Structural bioinformatics. Second edition, Wiley-Blackwell, Hoboken (2009).
C Brandén; J. Tooze: Introduction to Protein Structure. Second Edition, Garland Publishing, New York
(1998).
Stephen Neidle, Mark Sanderson: Principles of Nucleic Acid Structure. Elsevier, Paperback ISBN:
9780128196779, eBook ISBN: 9780128196786.
B. Rupp: Biomolecular Crystallography: Principles, Practice, and Application to Structural Biology.
Garland Science, New York (2009).
A.M. Lesk: Introduction to Bioinformatics. Oxford University, Oxford (2019). ISBN: 9780198794141
G. Rhodes: Crystallography made crystal clear. Elsevier, Amsterdam (2006). ISBN: 978-012587073-3
B. Alberts; A. Johnson; J. Lewis; M. Raff; K. Roberts; P. Walter: Molecular Biology of the Cell, W. W.
Norton & Company, New York (2022). ISBN: 978-0393884852

Některá knižní díla dostupná zdarma na internetu:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/
Hlavní database a zdroje informací na webu:
Strukturní databáze PDB: http://www.rcsb.org/pdb/
Databáze NCBI: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
Sekvenční databáze UniProt: http://www.uniprot.org/

Requirements to the exam

Last update: Mgr. Marian Novotný, Ph.D. (05.09.2023)

Cyklus přednášek končí zkouškou. Zkouška se skládá z písemné a ústní části. V rámci písemné části
posluchač vyhledá zadané struktury (nebo třídy struktur), kriticky zhodnotí jejich kvalitu a diskutuje jejich
hlavní rysy. Na jejich základě pak predikuje jinou strukturu a tu zkouší dále charakterizovat za pomoci
dockingu a dalších metod. V ústní části je tyto výsledky nutné vysvětlit a závěry o kvalitě struktur obhájit.
Součástí zkoušky je domácí úkol, jehož správnost, stejně jako další znalosti se testují u ústní zkoušky.

Potřebné SW vybavení:
Praktická část probíhá s využitím webových nástrojů (prohlížeče firefox nebo založené na chrome) a
částečně na vzdáleném linuxovém serveru dostupném přes SSH. Je tedy potřeba mít ssh klienta, ideálně
veřejný klíč a funkční X forwarding (v linuxu nativně, pro win např. MobaXterm, na mac XQuartz). Základy
práce v BASH výhodou.

Syllabus

Last update: Mgr. Marian Novotný, Ph.D. (05.09.2023)

Syllabus
1. Proč studovat struktury biomolekul. Vztahy struktura funkce v chemii a biologii. Formální popis
trojrozměrných objektů. Stereochemie a struktura stavebních kamenů biomolekul, aminokyselin a
nukleotidů.

2. Strukturní bioinformatika proteinů I. Vztah mezi aminokyselinovou sekvenci a strukturou proteinu.
Metody porovnávání sekvencí a struktur, motivy terciární struktury, klasifikace proteinových foldů. Motiv,
doména a fold.

3. Strukturní bioinformatika proteinů II. Strukturní alignment

4. Strukturní bioinformatika nukleových kyselin. I. Helikální konformace. Struktury komplexů proteinů s
DNA.

5. Strukturní bioinformatika nukleových kyselin. II. Struktury RNA. Struktury komplexů proteinů s RNA.

6. Krystalografie jako hlavní zdroj znalosti molekulárních struktur. Krystalografický experiment,
krystalizace, měření a vyhodnocení difrakce na monokrystalech. Symetrie krystalů, krystalografické grupy
symetrie. Řešení a rafinace struktur. Porovnání dalších experimentálních metod stanovení molekulárních
struktur, elektronové mikroskopie, NMR, a MS.

7. Validace (kontrola kvality) experimentálně stanovených molekulárních struktur, odhad přesnosti a
správnosti. Slovníky valenční geometrie a strukturních motivů. Programové nástroje pro validaci
makromolekul, off-line a na webu.

8. Databáze Protein Data Bank (PDB): Obsah databáze, formáty dat.: Architektura databáze, hledání v
databázi.

9. Další specializované strukturní databáze nukleových kyselin (např. NAKB či Rfam), organických látek
(CSD, Cambridge Structural Database). Další významné zdroje informací na webu a jejich použití
(sekvenční a publikační databáze a jejich spojení se strukturními databázemi).

10. Základní metody porovnání molekulárních struktur. Nastínění statistických metod vhodných pro
analýzy molekulárních struktur (hlavní komponenty, metody klastrování, grafická analýza dat v 1, 2 a 3
rozměrech). Zobrazování molekulárních struktur, základní programové vybavení.

11. Predikce 3D struktur proteinů - homologní modelování a jiné “tradiční metody”, metody porovnání
kvality predikce struktur, CASP

12. Predikce 3D struktur II. - ab initio modelování, Alphafold a jím inspirované algoritmy - modelování
kvarterní struktury

13. Design proteinů: Návrhy nových sekvencí a specifických funkcí úpravou existujících proteinů nebo z
náhodných sekvencí za použití strojového učení. Porovnání s experimentálními metodami řízené evoluce
jako je ribozómový displej nebo kvasinkový displej.