Bio 123, UZH

Bio 123, FS 2016

Bio 123, FS 2016


Set of flashcards Details

Flashcards 82
Students 23
Language Deutsch
Category Biology
Level University
Created / Updated 21.03.2016 / 30.06.2021
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https://card2brain.ch/box/bio_123_uzh
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Netzwerk Topologie

Die Topologie ist das Muster der Kanten welche die Knoten miteinander verbinden.

Parameter in der Topologie sind

A.      Durchschnittliche Länge vom kürzesten Weg zwischen 2 Knoten

Während bei normalen/regelmässigen Netzwerken dieser eher lang ist, ist er bei "random" und speziellen Netzwerken eher kurz bis sehr kurz.

Dies entspricht auch der Realität: die meisten NW in der reellen Welt haben kurze Wege.

B.      Die Stärke der Verknüpfung (distribution of node degree)

Dabei zählt man die Anzahl Verknüpfungen pro Knoten. Die meisten biologischen Netzwerke sind sogenannte "scale-free"NW. Deren Charakteristik ist, dass es wenige Knoten gibt welche überdurchschnittlich fest verknüpft sind, und die restlichen sehr sparsam.

C.      Clustering coefficients

Teile, welche besonders fest miteinander verbunden sind fasst man in sogen. Cluster zusammen.

Dabei schaut man die Nachbaren von solchen Knotenpunkten an (wie fest die untereinander verbunden sind).

Biologische NW haben häufig einen grossen Cluster Coeffizient.

Netzwerk Motive

Damit bezeichnet man die kleinsten topologischen Einheiten

Dabei muss man das Netzwerk analysieren und schauen ob irgendwelche Motive häufiger vorkommen als wenn sie einfach zufällig verteilt sind. (=Nullmodell)

Aber Achtung: das hängt dann natürlich immer vom Nullmodell ab, welches man selbst festlegt. Doch wie hat man dieses gewählt? Mit welchen Begründungen? Was erwarte ich?

-> Nur mit einer Grundannahme acht ein Motiv sinn

Biologische Einsichten aus der Topology

Was kann man aus solchen NW schlussfolgern? Sieht man vlt irgendwelche Trends?

A.      Zentrale Hubs scheinen essentieller zu sein:

Bsp. Degree

Hub knoten oft essentiel für zelle

Anteil der essentiellen hubs steigt mit dem degree des jeweiligen protein

Wichtige proteine oft abundant in einer zelle (häufig) und mehr konserviert, verändern sich langsamer

B.      Regulierung eines Protein hängt vielleicht von seinen Partner ab:

Netzwerk Aufteilung/Clustering

Man kann das NW grundsätzlich auf 2 Arten clustern. Entweder agglomerativ oder genau umgekehrt, divisiv. Beim letzerem geht man vom Ganzen aus und schneidet dann immer wieder Teile ab und wird genauer.  Nach einer gewissen Zeit kommen auch die Abstände zwischen Cluster ins Spiel.

Manchmal ist es sinnvoller, gleich die rohen Daten zu clustern! Denn dort steckt mehr Information drin als im Netzwerk

NW als Werkzeuge für die Datenrepräsantation

Omics arbeitet hypothesenfrei! Zuerst arbeitet man, und erst dann denkt man nach!

Als Beispiele KEGG, STRING, REACTOME

Protein Interaction Netzwerke

Proteinnetzwerke werdem normalerweise von einem Labor hergstellt --> kann Jahre dauern! So ist der traditionelle Ansatz, aber so kann man nie alle

Identifizieren.

Also macht man anstatt diese "small-scale interaction detection" lieber die Arbeit mit Robotern ("High throughput interaction detection"). Diese können gleich einen ganzen Organismus durchsuchen.

HTID ist sehr viel konsequenter, und er erfasst ebenfalls auch die negativen Resulate, die Information ist am Schluss elektronisch zugänglich. Jedoch ist die Fehlerrate um einiges höher.

SSID im Gegensatz dazu ist viel zuverlässiger und kann mehrere Techniken kombinieren.

yeast two-hybrid interaction screening & Systematic affinity purification

In yeast two-hybrid interaction screening schaut man ob zwei Proteine miteinander interagieren können. Probleme davon sind unter anderem, dass nur binäre Interaktionen ablaufen können. Auch findet es immer im Nucleus statt (wo jedoch einige Proteine z.B. Ein zu basisches Milieu vorfinden).

Systematic affinity purification: in vitro, ziehe gezielt an einem Protein und schaue was dabei mitkommt.

Genetic interaction screens

Dabei testet man systematisch mit Robotern verschiedene Mutationen gegeneinander, denn manchmal resultieren 2 Mutationen gleichzeitig In eine Lethalität. 

In-vivo cross linking

Dabei gibt man eine Chemikalie mit reaktiven Enden hinzu , welche zufälligerweise 2 Proteine miteinander verbindet.

Co-fractionation plus MS

Arbeitet mit der These: proteine die sich binden bleiben zusammen

Nach pH oder grösse etc auftrennen

Beobachten welche proteine möglichst lange zusammen geblieben sind

Protein Interaction Prediction

Protein docking: "puzzlen" im Computer. Jedoch sehr hohe Fehlerrate (Den proteine sind ja nicht einfach starr, sondern sehr dynamisch und falten sich wieder etc schwierig so zwei zusammenzusetzen)

Was etwas besser funktioniert sind

Correlated mutations

Meisten stirbt er bei einer Mutation ABER es kann auch sein das zufällig gibt es zweite mutation

(compensatory mutation), das passiert gar nicht so selten

Und das kann man im computer analysieren.

Oder vorhersage durch genome information.

What is synthetic biology?

Synthetic biology is the engineering of biology:

the synthesis of complex, biologically based (or inspired) systems which display funcions that do not exist in nature.

Synthetic biology is a) the design and construction of new biological parts, devices and systems and b) the re-design of existing natural biological systems for useful purposes.

Synthetic biology workflow

You start with a target function, which you want to have in the end. So you know already exactly your goal. After you designed and modelled it, you built it. Then you caracterise it. Here, at first attemp you often get a mismacht and so you have to iterate (repeat). In the end get a conclusion or application. 

Systems versus synthetic biology

In opposite to the traditionally biology (create mutants, and then draw some conclusion if something stopped working, etc.) you go from the opposite direction.

Because once you know these components, then you can try to rebuild things (and learn a lot about how this works).

But we always only rebuild parts of it, never the whole thing at once! And we also don‘t recreate it with exactly the same, but different genes.

The main credo of synthetic biology is "What I cannot create, I do not understand."

Network motifs

Occur in the transcription network much more often than it would be expected in random networks. They are the building blocks so to say for more complicated things.

Summary 1 of synthetic biology

Synthetic biology is the engineering of biology

It uses a typical engineering workflow

SynBio is a complementary approach to understand biological systems and their design rules

Engineered biological systems have potentially many applications (biotechnology, medicine, biofuels, biosensors etc.)

Part: GFP

  • green fluorescent protein: GFP
  • shines green when exposed to blue light
  • isolated from the jellyfish Aequorea Victoria
  • used as a reporter of expression

Part: lac I

  • Repressor from lac operon (lac Inhibitor)
  • Lac operon encodes proteins necessery for the transport and breakdown of the sugar lactose
  • 1st natural gene regulatory network studied in detail

Lac operon

see picture

Parts: cl

  • Repressor from lambda phage
  • Involved in switching between lytic and lysogenic pathway

Parts: TetR

Tet repressor protein: Controls the expression of the tet genes, whose product confer resistance to the antibiotic tetracyline

Two seminal projects in synthetic biology

  • Toogle Switch
  • Repressilator

Conclusions of SB

  • The synthetic network (repressilator) works as oscillator
  • However, the oscillations are not regular
  • In contrast, natural oscillators are very precise
  • Nature is using different network designs

Toggle switch

The toggle switch was built with 2 repressors and can be switched between 2 states

Repressilator

The repressilator consists of 3 repressors and oscilates

Logic gates

Its the elementary building block of a digital circuit.

Each gate has a separate symbol and a name, f.e. "A or B", "not A", etc.

The relationship between the in- and outputs is given in the truthtable. Its always either 1 or 0. (zero means for example that we have no input of A)

AND gate

Here you will need both together (A and B) to have an output. One alone is not enough. 

There are also layered AND gates, when you combine different gates together.

An example of an AND gate is the treatment of Psoriasis. Its a chronic inflammatory skin disease.

 

Integrases

Gates can also be built by using integrases.

With our input we control these integrases. They can for example inverte the terminator, or even cut the whole thing out!

When does XOR gate work?

This one works when either A or B are present

gates overview

see picture

New methods for Manipulating DNA

In the classic cloning, you have a cDNA library, which you amplify by PCR, etc.

But nowadays, you just go online and order your genes of interest. And they synthesize the DNA for you. There are many advantages (you can delete restriction sites etc.) and its not even that expensive.

But how do they synthesize these genes for you?

Take the DNA, divide it into parts and synthesize Oligonucleotides which have overlappings to each other. Then insert primers with uniques sites.

Challanges in synthetic biology

1.       Many parts are undefined

2.       The circuits are unpredictable

3.       Many parts are incompatible

4.       Variability crashes the system

5.       Safety and ethical challenges

Cell-to-cell variability

Genetically identical cells which are grown under same circumstances and still show differences

Some important points in cell-to-cell variability

Its logical that individual cells from an organism are different (f.e. From the liver, heart, etc.).

But how about the variability between cells from the same type, that are siblings from the same parent cell and are grown under identical conditions?

And where lies the boundary between differentiation and non-genetic cell-to-cell variability?

(Its to mention that to notice this is only possible with the newest technologies, where we can quantify the cells)

Such variability cannot described with qualitative terms, so we need quantification.

How can we quantify single cells?

  • Fluorescence activated cell sorter/analyzer (flow cytometry)
  • Single-cell micro-dissection for further analysis

This single-cell approach is changing many views in biology.

The respond to f.e a certain concentration is switch-like in each single cell. But each cell responds to a different concentration, so the response of the population is graduell. -> there is nothing such as a "average" cell, each is individual. That is very fundamental to understand!

But what allows a stable switch-like response in single cells?

  • Ultrasensitivity
  • positive feedback

The definiton of intrinsic and extrinsic noise

Intrinsic noise is when you have two gens which are regulated identically, but you get different outputs (even under identical conditions!).

Otherwise, when you get the same output (and maybe sometimes a little darker yellow or lighter, etc.) you only would have extrinsic noise.

The definiton of intrinsic and extrinsic noise

Intrinsic noise is when you have two gens which are regulated identically, but you get different outputs (even under identical conditions!).

Otherwise, when you get the same output (and maybe sometimes a little darker yellow or lighter, etc.) you only would have extrinsic noise.

Noise

when you cannot explain where it cames from, its stochastic, not regulated or controlled

Active versus passive noise filteringActive versus passive noise filtering

Active: can measure noise and somehow create an anti-noise signal which cancel the noise out

Passive: prevents noise from entering 

Active: can measure noise and somehow create an anti-noise signal which cancel the noise out

Passive: prevents noise from entering