Phylogenetics and metagenomics

Zajęcia mają za zadanie zaznajomienie studentów z podstawami filogenetyki molekularnej oraz metagenomiki (analiza amplikonów), ze szczególnym uwzględnieniem ich zastosowania w badaniach środowiskowych. W ramach bloku dotyczącego filogenetyki studenci nauczą się przyrównywania sekwencji nukleotydowych i białkowych, poznają podstawowe metody rekonstrukcji drzew filogenetycznych oraz oceny ich mocy, a także zapoznają się z podstawami datowania filogenezy oraz metodami szacowania stanów ancestralnych. A ramach drugiej części zajęć nacisk zostanie położony na analizę danych środowiskowych z sekwencjonowania nowej generacji (NGS). Podczas zajęć samodzielnie przeprowadzą analizę od etapu uzyskania surowych danych, poprzez analizę ich jakości, łączenie odczytów, oraz klasyfikację taksonomiczna sekwencji, kończąc na analizach statystycznych umożliwiających powiązanie czynników środowiskowych z otrzymanymi wynikami składu gatunkowego i wskaźnikami różnorodności biologicznej.

Zajęcia składają się z dwóch bloków tematycznych dotyczących filogenetyki molekularnej oraz metagenomiki (analiza amplikonów), ze szczególnym uwzględnieniem badań środowiskowych. Każde zajęcia będą poprzedzone krótkim wprowadzeniem teoretycznym.

Pierwsze zajęcia zaczną się od nauki podstaw obsługi komputera z systemem Linux za pośrednictwem linii komend, pracy na serwerze oraz poznania formatów plików fasta, fastq, newick.

Blok filogenetyka molekularna:

• Przygotowanie przyrównań sekwencji nukleotydowych i białkowych do analiz filogenetycznych; ocena wiarygodności uszeregowań i wybieranie pozycji homologicznych do analizy.

• Wybór modelu substytucji w analizach filogenetycznych

• Analizy filogenetyczne: metoda największej parsymonii, metody odległościowe, metoda największej wiarygodności, analiza bayesowska

• Oceny mocy drzewa i wewnętrznego wsparcia gałęzi: różne metody szacowania wiarygodności gałęzi, prawdopodobieństwo a posteriori; testowanie topologii drzew

• Wykrywanie ewolucji adaptacyjnej w danych molekularnych

• Datowanie filogenezy metodami bayesowskimi

• Szacowanie stanów ancestralnych cech morfologicznych – metoda największej parsymonii i największej wiarygodności; modele ewolucji dla cech ciągłych i kategorycznych

• Biogeografia historyczna – rekonstrukcja rozmieszczenia i dyspersji taksonów w czasie i przestrzeni.

Blok metagenomika-analiza amplikonów:

• Wprowadzenie do obróbki danych z sekwencjonowania nowej generacji (NGS): podstawy metodyki sekwencjonowania na przykładzie platformy Illlumina, analiza jakości otrzymywanych danych

• Wstępna obróbka wyników sekwencjonowania wysokoprzepustowego amplikonów: filtrowanie na podstawie jakości, łączenie odczytów, dereplikacja, analiza ASV i OTU

• Klasyfikacja taksonomiczna sekwencji - różne metody oraz różne bazy sekwencji referencyjnych; wizualizacja i analiza składu taksonomicznego

• Obliczenie wskaźników różnorodności biologicznej (różnorodność alfa i beta); bogactwo gatunkowe, współczynnik Shannona, analiza głównych składowych (PCA), skalowanie wieloparametryczne

• Powiązanie czynników środowiskowych (metadanych) z otrzymanymi wynikami składu gatunkowego i wskaźnikami różnorodności biologicznej.

• Mapowanie otrzymanych odczytów na drzewie filogenetycznym

Bioinfromatyka i ewolucja molekularna. Paul G. Higgs i Teresa K. Attwood. Tłumaczenie K. Murzyn, P. Liguziński, M. Kurdziel. PWN, Warszawa, 2011.

Łatwe drzewa filigenetyczne. Hall Barry G. PWN, Warszawa, 2008.

https://docs.qiime2.org/2021.8/

https://cme.h-its.org/exelixis/resource/download/NewManual.pdf

WIEDZA

1. Absolwent rozumie wzajemne pokrewieństwa wszystkich żywych organizmów. Zna zaawansowaną metodologię filogenetyczną pozwalającą na ustalenie relacji pokrewieństwa między organizmami (K_W07 BI2)

2. Absolwent dostrzega konieczność stosowania zaawansowanych metod statystycznych do opisu zjawisk i analizy danych w naukach biologicznych i ochronie środowiska (K_W08 BI2)

3. Absolwent zna specjalistyczne narzędzia bioinformatyczne stosowane w filogenetyce oraz metagenomice, ze szczególnym uwzględnieniem specyfiki badań środowiskowych (K_W09 BI2)

4. Absolwent zna molekularne metody stosowane w ochronie przyrody i ekologii (K_W08 Os2).

UMEIJĘTNOŚCI

1. Absolwent stosuje adekwatne metody statystyczne oraz algorytmy i techniki informatyczne do opisu zjawisk i analizy danych biologicznych (K_U06 BI2)

2. Absolwent stosuje zaawansowane metody i narzędzia statystyczne do analizy danych empirycznych i opisu procesów przyrodniczych (K_U01 Os2).

3. Absolwent w oparciu o dane analityczne przewiduje kierunek zmian środowiska przyrodniczego pod wpływem różnych czynników (K_U02 Os2).

KOMPETENCJE SPOŁECZNE

1. Wykazuje potrzebę stałego aktualizowania i pogłębiania wiedzy z zakresu filogenetyki i metagenomiki(K_K02 Os2).

2. Poszerza zainteresowania w kierunku nauk ścisłych (K_K03 Os2).

3. Wykazuje potrzebę stałego aktualizowania wiedzy z zakresu nauk matematyczno-przyrodniczych (K_K04 Os2).

4. Odczuwa potrzebę stałego dokształcania się i aktualizowania wiedzy, korzystając ze źródeł naukowych, dotyczących filogenetyki i metagenomiki (K_K07 BI2).

Zaliczenie na ocenę

Ocena na podstawie punktów za wykonywane zadania.

nie