Χρησιμοποιώντας βιολογικές βάσεις δεδομένων για τη διδασκαλία της εξέλιξης και της βιοχημείας Teach article

Μετάφραση από τη Βασιλική Κιούπη. Τα εργαλεία του διαδικτύου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύγκριση αλληλουχιών πρωτεϊνών και να μας βοηθήσουν να…

Κρυσταλλική δομή του
κυτοχρώματος c.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Klaus
Hoffmeier/Wikimedia
commons

Στο παρελθόν, οι επιστήμονες διεξήγαγαν εξελικτικές αναλύσεις συγκρίνοντας τα φυσικά χαρακτηριστικά των ειδών – γνωστά και ως φαινότυποι – τα οποία έβρισκαν στο αρχείο των απολιθωμάτων. Μετά την ανακάλυψη του μοριακού ρολογιού, παρόλα αυτά, αυτό άλλαξε.

Η ιδέα του μοριακού ρολογιού προέκυψε από την παρατήρηση ότι όσο μεγαλύτερο χρονικό διάστημα έχει παρέλθει από τότε που δύο είδη έχουν αποκλίνει από τον κοινό τους πρόγονο, τόσο περισσότερο διαφορετικές θα είναι οι αλληλουχίες DNA ή πρωτεϊνών τους (για κριτική, δείτε  Bromham & Penny, 2003).

Μέσω της σύγκρισης ομόλογων γονιδίων ή πρωτεϊνικών αλληλουχιών – με άλλα λόγια, που προέρχονται από δύο οργανισμούς που έχουν κοινό πρόγονο- μπορεί κανείς να μετρήσει πόσο χρονικό διάστημα έχει παρέλθει από τότε που οι οργανισμοί απέκλιναν μεταξύ τους. Αυτό μπορεί να οπτικοποιηθεί με την κατασκευή ενός φυλογενετικού δέντρου. 

Για να εξετάσουμε πόσο όμοια είναι δύο γονίδια, χρειάζεται να διαθέτουμε τις αλληλουχίες τους και να τις έχουμε ευθυγραμμίσει σωστά (Kozlowski, 2010). ). Παλαιότερα ήταν αρκετά δύσκολο να αποκτήσουμε αυτές τις αλληλουχίες, αλλά όχι πια. 

Οι μαθητές σας θα πρέπει να σας έχουν ήδη πει ότι τα πάντα βρίσκονται στο Ίντερνετ – αυτή τη φορά, έχουν δίκιο.  Υπάρχουν πολλά παραδείγματα ελεύθερα προσβάσιμων βιολογικών βάσεων δεδομένων, οι οποίες περιέχουν πραγματικά ερευνητικά δεδομένα στο Ίντερνετ, αλλά για τη συγκεκριμένη δραστηριότητα θα χρησιμοποιήσουμε κυριότερα δύο πηγές. 

Το Εθνικό Κέντρο Πληροφοριών Βιοχημείας (NCBI)w1 στη Βηθεσδά, του Μέρυλαντ, των ΗΠΑ, παρέχει πρόσβαση σε βιοιατρικές και γονιδιωματικές πληροφορίες, ενώ  το Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Βιοπληροφορικής (EBI)w2, που βρίσκεται στο Χίνξτον, του Ηνωμένου Βασιλείου, παρέχει ελεύθερα δεδομένα από πειράματα επιστημών της ζωής και διεξάγει βασική έρευνα στην υπολογιστική βιολογία. Η βάση δεδομένων NCBI μπορεί να σας παρέχει οποιαδήποτε αλληλουχία γονιδίου ή πρωτεΐνης που έχει ήδη αλληλουχηθεί, και έπειτα μπορείτε να χρησιμοποιήσετε εργαλεία του EBI για να ευθυγραμμίσετε τις αλληλουχίες και  να τις αναλύσετε.

Δραστηριότητα

Όταν διερευνούμε τις εξελικτικές σχέσεις μεταξύ διαφορετικών οργανισμών, είναι σημαντικό να διαλέγουμε προσεκτικά το γονίδιο ή την πρωτεΐνη που θα χρησιμοποιήσουμε. Υπάρχουν κάποια πολύ γνωστά ομόλογα γονίδια τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν, όπως αυτά για τις πρωτεΐνες αιμοσφαιρίνη και κυτόχρωμα c, και σε αυτή τη δραστηριότητα θα χρησιμοποιήσουμε το δεύτερο. Το κυτόχρωμα c είναι μια μικρή πρωτεΐνη με χαρακτηριστική ομάδα αίμης, η οποία είναι το κεντρικό συστατικό της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων στα μιτοχόνδρια. Όλοι οι αερόβιοι οργανισμοί έχουν εξελιχθεί από έναν κοινό πρόγονο ο οποίος πρώτος χρησιμοποίησε το κυτόχρωμα c, οπότε είναι μια καλή επιλογή για τους σκοπούς μας.w3.

Η δραστηριότητα αυτή διεξάγεται σε τρεις διαφορετικές ενότητες

  • βρίσκουμε τις αμινοξικές αλληλουχίες του κυτοχρώματος c σε διαφορετικούς οργανισμούς,
  • τις ευθυγραμμίζουμε, και
  • κατασκευάζουμε το φυλογενετικό δέντρο.

Τέλος, περιλαμβάνονται κάποιες ερωτήσεις, ώστε να καθοδηγήσουν την έρευνα των εξελικτικών σχέσεων.

Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση.

Βρίσκοντας πρωτεϊνικές αλληλουχίες

  1. . Πήγαινε στην ιστοσελίδα του NCBI w1.
  2. Στο πεδίο της αναζήτησης στην κορυφή της σελίδας, διάλεξε “πρωτεΐνη” στο αναπτυσσόμενο μενού. 
  3. Πληκτρολόγησε το όνομα ενός είδους, για παράδειγμα Homo sapiens, και κυτόχρωμα c (cytochrome c).
  4. Κάνε κλικ στο κουμπί αναζήτησης
  5. Μια νέα σελίδα θα ανοίξει που θα περιέχει τα αποτελέσματα της αναζήτησης σε λίστα. Τα περισσότερα από αυτά είναι οι ίδιες αλληλουχίες από διαφορετικές πηγές, ενώ κάποια άλλα είναι μερικές αλληλουχίες ή ανήκουν σε διαφορετικά είδη ή πρωτεΐνες. Διάλεξε προσεκτικά τη σωστή πρωτεΐνη που σε ενδιαφέρει και κάνε κλικ στο σύνδεσμο που βρίσκεται στο κάτω μέρος αυτής με τον τίτλο “FASTA”.  
  6. Από την νέα σελίδα που ανοίγει, κάνε αντιγραφή τη σειρά κεφαλαίων γραμμάτων που δηλώνει την αλληλουχία αμινοξέων. Κάνε επικόλληση των γραμμάτων σε ένα αρχείο Word, θυμήσου να ονομάσεις την αλληλουχία με το όνομα του οργανισμού από τον οποίο προέρχεται.   
  7. Κάνε το ίδιο για όσους οργανισμούς επιθυμείς, ανάλογα με το τι θέλεις να ερευνήσεις με τους μαθητές σου. Μπορείς να περιλάβεις διαφορετικά πρωτεύοντα για να δεις πως εξελίχθηκαν οι άνθρωποι ή οργανισμούς από τα παραδοσιακά πέντε βασίλεια της ζωής για να δεις γενικά πως εξελίχθηκε η ζωή. Σε αυτή τη δραστηριότητα θα χρησιμοποιηθούν, 3 είδη ζώων, 2 είδη φυτών, 2 είδη φυκών, ένας μύκητας και ένα πρωτόζωο.  

Ευθυγραμμίζοντας αλληλουχίες

  1. Πήγαινε στην ιστοσελίδα του Ευρωπαϊκού Ινστιτούτου Βιοπληροφορικής (EBI) και κάνε κλικ στις υπηρεσίες “Services”. Έπειτα επίλεξε πρωτεΐνες “proteins”. 
  2. Κάνε κλικ στο Clustal Omega. Κάνε αντιγραφή το κείμενο από το αρχείο Word και επικόλλησέ το στο κουτί κειμένου με τον τίτλο “ΒΗΜΑ 1”.  
  3. Στο ΒΗΜΑ 2, διάλεξε μια μορφή για τα αποτελέσματα της ευθυγράμμισης, όπως ” Clustal w/  numbers”, η οποία δείχνει το μήκος κάθε αλληλουχίας. Τέλος, κάνε κλικ στο υποβολή “Submit” για να ολοκληρώσεις το ΒΗΜΑ 3. 
  4. Οι ευθυγραμμίσεις πολλαπλών αλληλουχιών θα εμφανιστούν σε ένα νέο παράθυρο. Το πρώτο πράγμα που μπορείς να κάνεις είναι κλικ στην επιλογή για να δεις τα χρώματα. Αυτή η επιλογή θα δώσει το ίδιο χρώμα σε κάθε αμινοξύ, οπότε είναι πιο εύκολο να τα ταυτοποιήσεις. 
  5. Για να αναλύσεις την ευθυγράμμιση, να έχεις τα επόμενα σύμβολα στο μυαλό σου: τον αστερίσκο (*) ο οποίος σημαίνει ότι οι αλληλουχίες είναι πανομοιότυπες σε αυτή τη θέση, την άνω και κάτω τελεία  (:) που δείχνει συντηρημένες αντικαταστάσεις, και την τελεία (.) που αναφέρεται σε ημι-συντηρημένες αντικαταστάσεις (όμοια σχήματα). Τα χρώματα ομαδοποιούν τα αμινοξέα ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Τα κόκκινα είναι μικρά, υδρόφοβα, αρωματικά, τα μπλε είναι όξινα, τα φούξια είναι βασικά, τα πράσινα είναι υδροξυλ, αμίνες, αμίδες, με βασικό χαρακτήρα, και τα γκρι είναι όλα τα υπόλοιπα.  
  6. Αν κάνεις κλικ στην επιλογή “Result Summary”, μπορείς να δεις το ποσοστό της ομοιότητας που είναι συντηρημένη μεταξύ των διαφορετικών οργανισμών μετά την ευθυγράμμιση. Σε αυτόν τον πίνακα, μπορείς να βρεις το ποσοστό της ομοιότητας δύο οργανισμών για την αλληλουχία της πρωτεΐνης κυτόχρωμα c. Επιπλέον, αν έχεις εγκαταστήσει τη Java™ στον υπολογιστή σου, μπορείς να χρησιμοποιήσεις το Jalview, ένα δωρεάν πρόγραμμα για να μπορείς να επεξεργάζεσαι, να οπτικοποιείς και να αναλύεις  πολλαπλές ευθυγραμμίσεις αλληλουχιών. Με το Jalview, θα μπορέσεις να δεις τη συναινετική αλληλουχία για το κυτόχρωμα c και το επίπεδο της συντήρησης των διαφορετικών αμινοξέων.  

Το λογισμικό Clustal Omega έχει πολλές διαφορετικές επιλογές που περιλαμβάνουν αρκετά περίπλοκα μαθηματικά από όσο είναι απαραίτητο για τους σκοπούς μας.  Αν θέλεις να μάθεις περισσότερα για τη χρήση του Clustal Omega, δες το άρθρο από τους Sievers et al. (2011)

Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση.

Κατασκευάζοντας ένα Φυλογενετικό δέντρο

  1. Στα αποτελέσματα του Clustal Omega, κάνε κλικ στο “Φυλογενετικό δέντρο” που βρίσκεται στο τέλος της σελίδας (θα χρειαστεί να έχεις εγκατεστημένη τη Java™).
  2. Μπορείς να επιλέξεις ανάμεσα σε φυλογενετικό δέντρο ή σε κλαδόγραμμα. Στο κλαδόγραμμα το μήκος των κλάδων του δέντρου είναι αυθαίρετο, ενώ στο φυλογενετικό δέντρο, τα μήκη των κλάδων δείχνουν το βαθμό στον οποίο η πρωτεΐνη έχει εξελιχθεί με το πέρασμα του χρόνου. 

Για περεταίρω συζήτηση

Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση.
  1. Τα ομόλογα μόρια είναι παράδειγμα αποκλίνουσας εξέλιξης. Πως μπορείς να εξηγήσεις την αποκλίνουσα εξέλιξη χρησιμοποιώντας το κυτόχρωμα c;
  2. Οι ευθυγραμμίσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας είτε νουκλεοτιδικές (γονίδια), είτε αμινοξικές (πρωτεΐνες)  αλληλουχίες. Γιατί πιστεύεις είναι πιο χρήσιμο να χρησιμοποιούμε πρωτεΐνες από ότι DNA ώστε να αναλύσουμε τις εξελικτικές σχέσεις;
  3. Στα φυλογενετικά δέντρα, ένας “κλάδος” σχηματίζεται από όλους τους οργανισμούς που έχουν κοινό πρόγονο. Δώσε ένα παράδειγμα από το κλαδόγραμμα σου.
  4. Ποιοι οργανισμοί έχουν πρόσφατα περάσει από διαδικασία ειδογένεσης, σύμφωνα με τη φυλογενετική ανάλυση του κυτοχρώματος c; Ποιός είναι ο συνολικός αριθμός των γεγονότων ειδογένεσης; 
  5. Γιατί πιστεύεις ότι κάποια αμινοξέα έχουν αλλάξει λόγω μεταλλάξεων, ενώ άλλα όχι; Θεωρείς ότι τα συντηρημένα αμινοξέα δεν έχουν αλλάξει επειδή στα κωδικόνια τους δεν έχουν συμβεί μεταλλάξεις; 
  6. Δείξε κάποια από τα συντηρημένα αμινοξέα στην ευθυγράμμισή σου. Αναζήτησε πληροφορίες για τη λειτουργία τους στο Ίντερνετ. 
Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση.

 

Γλωσσάριο 

Κλαδόγραμμα: Ένα διακλαδισμένο διάγραμμα που δείχνει την εξελικτική σχέση μεταξύ ειδών, με αυθαίρετο μήκος κλάδων. 

Κλαδόγραμμα: Ένα διακλαδισμένο διάγραμμα που δείχνει την εξελικτική σχέση μεταξύ ειδών, με αυθαίρετο μήκος κλάδων. 

Συντηρημένα αμινοξέα: Μια αλληλουχία αμινοξέων σε ένα πολυπεπτίδιο που διατηρείται όμοια σε πολλούς οργανισμούς. 

FASTA: αρχείο μορφής κειμένου για την αναπαράσταση νουκλεοτιδικών ή πεπτιδικών αλληλουχιών χρησιμοποιώντας κώδικα απλού γράμματος. Μια αλληλουχία μορφής FASTA ξεκινάει με μια περιγραφή μιας γραμμής, ακολουθούμενη από γραμμές που περιέχουν δεδομένα αλληλούχησης. Η περιγραφή της αλληλουχίας διακρίνεται από την ίδια την αλληλουχία με το σύμβολο ανισότητας (>).

Ομόλογες πρωτεΐνες: Αυτές οι πρωτεΐνες είναι κοινές μεταξύ οργανισμών που έχουν προκύψει από κοινό πρόγονο. 

Φυλογενετικό δέντρο: Ένα διακλαδισμένο διάγραμμα που απεικονίζει την εξελικτική σχέση μεταξύ ειδών, όπου τα μήκη των κλάδων δείχνουν τη διαφορά μεταξύ δύο πρωτεϊνών ή γονιδίων. 

Γεγονός ειδογένεσης: Η στιγμή κατά την οποία προγονικά είδη αποκλίνουν σχηματίζοντας νέα είδη. 

Ευχαριστίες

Ο συγγραφέας θα ήθελε να ευχαριστήσει τη συνάδελφό του María Isern για τη βοήθειά της στη διόρθωση της Αγγλικής γραμματικής στο άρθρο.  

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Το US National Center for Biotechnology Information παρέχει πρόσβαση σε βιοιατρικές και γονιδιωματικές πληροφορίες.
  • w2 – Το European Bioinformatics Institute παρέχει δωρεάν πρόσβαση σε δεδομένα από πειράματα επιστημών της ζωής, διεξάγει βασική έρευνα στην υπολογιστική βιολογία και προσφέρει εκτενή προγράμματα εκγύμνασης για το χρήστη, υποστηρίζοντας τους ερευνητές τόσο της πανεπιστημιακής κοινότητας, όσο και της βιομηχανίας.  
  • w3 – Ο John Kimballέχει συγγράψει ένα διαδικτυακό βιβλίο που ονομάζεται ‘Taxonomy: Classifying Life’ το οποίο περιέχει ένα κεφάλαιο σχετικό με τα  ‘Φυλογενετικά δέντρα’’.

Resources

  • Ο ιστότοπος  ‘Understanding Evolution’ του Μουσείου Παλαιοντολογίας του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια προσφέρει πολύ καλές πληροφορίες σχετικά με την κατασκευή και ανάλυση φυλογενετικών δέντρων. 
  • Για να μάθεις περισσότερα για τη χρήση του κυτοχρώματος c στα φυλογενετικά δέντρα.
  • Ο ιστότοπος  Protein Data Bank στην Ευρώπη ανήκει στο Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Βιοπληροφορικής και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναζήτηση και την απεικόνιση τρισδιάστατων δομών του κυτοχρώματος c. 
  • Ο ιστότοπος  Tree of Life σου επιτρέπει να διερευνήσεις διαδραστικά και να παρακολουθήσεις μια σειρά τηλεοπτικών εκπομπών για το Δέντρο της Ζωής τα οποία προβλήθηκαν από το BBC με παρουσιαστή τον Sir David Attenborough. 

Author(s)

Ο Germán Tenorio διαθέτει Διδακτορικό Δίπλωμα Σπουδών στη Βιολογία φυτών και στη Μοριακή Βιολογία και δουλεύει ως καθηγητής Βιολογίας Λυκείου τα τελευταία δέκα χρόνια. Είναι ο Επικεφαλής των Επιστημών καθώς και Συντονιστής του International Baccalaureate Diploma programme στο Colegio de San Francisco de Paula, στη Σεβίλλη της Ισπανίας.


Review

Οι καθηγητές Βιολογίας θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτό το άρθρο για να συνδέσουν θέματα εξελικτικής βιολογίας, ιστορίας της επιστήμης, βιοχημείας και γενετικής. Για να επωφεληθούν τα μέγιστα από αυτό το άρθρο, είναι σημαντικό οι μαθητές να κατανοήσουν βασικές έννοιες βιοχημείας του DNA και των πρωτεϊνών. 

Η δραστηριότητα που περιγράφεται στο άρθρο αυτό είναι σημαντική για να κινητοποιήσει τους μαθητές να εργαστούν ερευνητικά αυτόνομα, χρησιμοποιώντας επιστημονικές βάσεις δεδομένων. Μέσα στο εργαστήριο της σχολικής τάξης, οι μαθητές μπορούν να καθοδηγηθούν στο να εργαστούν σε μικρές ομάδες, συγκρίνοντας αλληλουχίες πρωτεϊνών, όπως του κυτοχρώματος c, ή DNA, ώστε να κατανοήσουν τις διαφορές μεταξύ φυλογενετικών δέντρων και κλαδογραμμάτων. Η βιοπληροφορική είναι πολύ χρήσιμη στα σχολεία δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης για την προώθηση της μάθησης περιεχομένου και την ενσωμάτωση της γλώσσας σε διαφορετικά επίπεδα, με τους καθηγητές Αγγλικών, ιστορίας και φυσικών επιστημών να συνεργάζονται σε ένα διαθεματικό project. Αυτό το άρθρο, το οποίο συνδέει τα διαφορετικά αυτά θέματα, θα μπορούσε να κατευθύνει επίσης συζητήσεις σχετικά με την πρόοδο και τους περιορισμούς τέτοιου είδους έρευνας.    


Marina Minoli, Didactic Expert Agora University Centre, Italy



License

CC-BY-NC-SA