Eiwitten in 3D - de structuur van biomoleculen

Projecttitel: Eiwitten in 3D -  verwerven van inzichten in de structuur van biomoleculen in de basiscursussen biochemie
Vakgroep/Dienst:
Vakgroep Biochemie en Microbiologie (WE10), L-ProBe
Promotor:
Prof.Bart Devreese
Projectmedewerkers:
Nele Vervaet

Korte beschrijving van het onderwijsinnovatieproject

De inleidende cursussen Biochemie hebben voornamelijk als doelstelling de studenten vertrouwd te maken met de structuren van biomoleculen zoals suikers, eiwitten, vetten en nucleïnezuren. Er is immers een directe relatie tussen deze structuren en hun cellulaire functies. Tot nu toe stelden we vast dat, hoewel uitvoerig besproken tijdens de hoorcolleges, studenten moeite hebben om zich een goed beeld te vormen van de  opbouw van eiwitten.

Eiwit_1 3DDit onderwijsinnovatieproject heeft als doel de aansluiting tussen theorie en oefeningen te bevorderen en leermaterialen ter beschikking te hebben die de 3D-realiteit van de ruimtelijke structuren van biomoleculen weergeven. In dit kader werd, in samenwerking met Prof. Savvas Savvides, een thuisopdracht opgesteld waarbij de student kennismaakt met het moleculair visualisatieprogramma PyMol. PyMol is een open-source informaticatoepassing (o.m. beschikbaar via Athena) die toelaat de ruimtelijke structuur van eiwitten te visualiseren en een aantal basiskenmerken van eiwitten te bestuderen. Het programma wordt zeer veel gebruikt door structuurbiologen, ook in het onderzoek. Aan de hand van deze opdracht willen we inzicht verwerven in de structurele eigenschappen van eiwitten.

Afgelopen jaar werd de thuisopdracht uitgebreid waarbij de studenten meer tools leerden gebruiken binnen het PyMol programma om zo verschillende aspecten in de structuur van eiwitten te verkennen. De inleiding tot deze opdracht werd via een sessie tijdens het werkcollege gegeven en uitgeschreven in een beknopte handleiding. Tijdens het oplossen van de oefening kon de student vragen mailen naar de assistent. Er werd één les voorzien als feedback-moment waarop vragen en problemen behandeld werden.

Wij wensen nu over te gaan tot de  opname van een weblecture ter aanvulling en vervanging van de inleidingsles voor de thuisopdracht rond de visualisatie van biomoleculen in PyMol. De weblecture zal ingezet worden als voorbereiding van en leidraad voor deze zelfstandige thuisopdracht binnen het vak Algemene Biochemie: bouwstenen van het leven voor de studenten uit 1e Bachelor Biochemie en Biotechnologie. De studenten kunnen zelfstandig (en op eigen tempo) de aansluiting tussen theorie en oefeningen maken en kunnen zo meer doelgericht vragen stellen aansluitend op de hoorcolleges of tijdens werkcolleges.

Hiernaast willen we gebruik maken van nieuwe 3D-printfaciliteiten om een aantal modellen van biomoleculen uit te printen in 3D. Aan de hand van deze modellen kunnen meer abstracte begrippen in verband met de structurele eigenschappen van eiwitten en andere macromoleculen uitgelegd worden. Door zowel gebruik te maken van fysische modellen als software waarbij verschillende aspecten kunnen worden toegelicht, hopen we de studenten vertrouwd te maken met de structuur en kenmerken van biomoleculen.

Deze modellen zullen ingezet worden in de inleidende cursussen Biochemie in de opleidingen Chemie, Biologie, Biochemie en Biotechnologie:

  • Algemene biochemie: eiwitten – 2e Bachelor Chemie – Prof. Savvas Savvides
  • Biochemie I: biomoleculen – 2e Bachelor Biologie – Prof. Bart Devreese
  • Algemene biochemie, bouwstenen van het leven – 1e Bachelor Biochemie en Biotechnologie – Prof. Bart Devreese

Doelstellingen van het project + tijdsbesteding


eiwit 2 3DHet doel van dit onderwijsinnovatieproject is om materiaal te genereren dat het ruimtelijk inzicht in de biomacromoleculen moet bevorderen. Het project zal uit twee luiken bestaan:

1.    Aanmaak van een weblecture ter ondersteuning van de thuisopdracht “Pymol”

De weblecture heeft als doel een inleiding te geven over het gebruik van de software waarbij de studenten geleid worden door het programma en zijn verschillende tools die nodig zijn om de opdracht tot een goed einde te brengen. Door gebruik te maken van een weblecture kan de student steeds teruggrijpen naar de inleidingsles om het gebruik van bepaalde onderdelen van het programma te begrijpen.
Dit heeft volgende voordelen:

  • de student kan op eigen tempo de opdracht afwerken zonder steeds te moeten terugvallen op ondersteuning door de praktijkassistent voor de basisfuncties, en komt er tijd vrij voor meer inhoudelijke feedback
  • door de software toe te lichten aan de hand van een weblecture, wordt de inhoud beter overgebracht naar de student in vergelijking met wat mogelijk is in een leszaal
  • het aangeboden leermateriaal kan door de student op eigen tempo herbekeken worden
  • de Pymol software wordt ook in hogere jaren gebruikt. Ook deze studenten kunnen terugvallen op de weblecture om hun geheugen op te frissen.

Praktisch voorzien we 4 fasen in de uitvoering:

  • uitwerken van een scenario voor de weblecture (december 2014 – januari 2015)
  • opname van de weblecture en incorporatie in de thuisopdracht (januari 2015)
  • inschakelen van de weblecture in het onderwijs (februari 2015)
  • evaluatie op basis van feedback door studenten en ervaringen van de begeleiding

2.    Aanmaak van 3D-printmodellen als leermateriaal voor hoorcolleges en werkcolleges

Drie-dimensionele modellen van eiwitten en nucleïnezuren zijn commercieel beschikbaar maar zeer duur. Bovendien gaat het vaak om standaardmodellen, die maar een beperkt deel van de cursus omvatten. De nieuwe 3D-printtechnologie biedt nieuwe mogelijkheden om ruimtelijke structuren uit te printen, op maat gemaakt, waarbij kan gekozen worden om die weergaves te maken die de functionaliteit van de molecule het best illustreren. Deze modellen kunnen als demonstratiemateriaal gebruikt worden tijdens zowel hoor-als werkcolleges. Vermits de groepen traditioneel tussen de 50 en 90 studenten bevatten, is het bovendien didactisch beter als voor elk van de modellen meerdere exemplaren kunnen worden gemaakt.

Een selectie van de modellen die zullen worden gemaakt is:

  • weergave van een kort peptide ter illustratie van de peptidebindingen en de rotatiehoeken
  • weergave van de verschillende secundaire structuurelementen in eiwitten
  • weergave van de interacties die de eiwitstructuur stabiliseren
  • weergave van de Fe-bindende site van hemoglobine en myoglobine
  • weergave van een eiwitcomplex

Volgende modellen worden geprint:

  • Peptide
  • α-helix
  • Antiparallelle β-plaat
  • Parallelle β-plaat
  • Coiled coil
  • Cartoon representatie eiwit
  • Myoglobine
  • Hemoglobine
  • Profiline-actine complex

Realisaties

In totaal werden 9 biomoleculen in 6 exemplaren geprint, dus 54 stuks in totaal.

Gerealiseerde 3D-prints

 

De weblecture rond Pymol is te bekijken via Minerva door in te tekenen op de cursus met cursuscode "C001730", getiteld "Algemene biochemie: bouwstenen van het leven (2014-2015)".
Zie 'Documenten' -> 'Thuisopdracht PyMol'

De weblecture rond PyMol is beschikbaar via:
http://users.ugent.be/~pfldcler/weblectures/11_Pymol_NeleVervaet/PyMol_weblecture_200515.html