Введение в Биоинформатику: Метагеномика (Introduction to Bioinformatics: Metagenomics)

Авторский коллектив курса «Введение в биоинформатику: метагеномика»  был отмечен дипломом II степени в номинации "За способность понятно объяснять самые абстрактные идеи" на Международном конкурсе открытых онлайн-курсов EdCrunch Award в 2018 году.

Метагеномика — раздел геномики, изучающий геном не отдельного организма, а совокупности обитателей микробных сообществ, живущих в разных природных условиях. На протяжении 4,5 миллиардов лет микроорганизмы являются доминирующей формой жизни на Земле. При этом только 3-4% из них может быть выращено в лабораторных условиях, а об остальных мы не знаем практически ничего.

Детальный анализ состава и функционирования сложных сообществ позволяет ответить на многие вопросы, связанные со здоровьем человека, охраной окружающей среды, хранением и переработкой продуктов питания, разработкой альтернативных источников энергии, и т.д. Такой анализ возможен только в результате биоинформатической обработки огромных массивов данных, получаемых при секвенировании суммарной метагеномной ДНК и/или отдельных генов.

В предлагаемом курсе «Введение в биоинформатику: метагеномика» мы затронем вопросы подготовки метагеномных проб и особенностей их анализа; математических подходов, лежащих в основе созданных специально для этого типа данных программных продуктов; вопросы секвенирования и сборки метагеномов, их аннотации и применения.
В ходе курса участникам будет предложен проект, в котором они смогут на практике применить полученные знания.
В рамках этого проекта учащиеся будут самостоятельно работать с реальными данными, проведут самостоятельный анализ и сделают выводы о составе и функции выбранного для этого проекта сообщества.

Курс «Введение в биоинформатику: метагеномика» преследует три главные цели:
1. ознакомить вас с задачами, которые ставит необходимость исследования сложных микробных сообществ перед медиками, биологами, программистами и математиками; методами их решения; программными продуктами и аналитическими платформами, созданными для работы с метагеномными данными; математическими алгоритмами, лежащими в основе этих программ
2. привить экспериментальные навыки работы с метагеномными данными, умение правильно планировать эксперимент, оценивать сложность задачи и требуемых для ее решения ресурсов (лабораторных и компьютерных), оценивать качество произведенных данных с точки зрения поставленной задачи,
3. научить правильно выбирать, а при необходимости и создавать, программные продукты для решения поставленной задачи



Metagenomics – part of the genomics studies considering not a single organisms, but the whole microbial communities living in different environments. Over 4.5 billion years bacteria are the dominant form of life on Earth. However, only 3-4% of them can be grown in laboratories, and we know almost nothing about others.

A detailed analysis of the composition and functioning of complex communities allows to answer a lot ot questions related to human health, environmental protection, food storage and processing, the development of alternative energy sources, etc. The only way do it is processing of huge amounts of bioinformatics data obtained by sequencing of the total metagenomic DNA or individual genes.

In the course "Introduction to bioinformatics: Metagenomics" we will address the issues of sample preparation and metagenomic analysis; mathematical approaches used in such analysis; metagenome sequencing and assembling issues, annotation and application of the data.

During the course, learners will be offered a project where they can apply acquired knowledge in practice. In this project, students will work with the real data, conduct independent analysis and draw conclusions about the composition and functions of the microbila community selected for the project.

The course "Introduction to bioinformatics: Metagenomics" has three main objectives:

1. Give you outline of the problems the physicians, biologists, mathematicians and programmers meets studying complex microbial communities; methods to solve these problems; software and analytic platform designed to work with metagenomic data; mathematical algorithms underlying these programs
2. Make you familiar with experimental skills for metagenomic analysis, the ability to plan an experiment, to assess the problem complexity and the required resources (wet lab and computational), to assess the quality of the obtained data for the given problem.
3. Teach how to choose and, if necessary, create software for the given tasks

• Week 1 - Introduction (Введение)
• The first week of our course will be dedicated to an overview of metagenomics. You will learn what metagenomics studies are and why this field of study has gained popularity in the current times. You will get acquainted with the basic approaches of metagenomic bioinformatics and with the specificity of the metagenomic analytical approaches used for the analysis of natural microbial communities.
  
  
  Первая неделя нашего курса знакомит с метагеномикой. Вы узнаете что изучает метагеномика и почему она возникла в наши дни. Вы познакомитесь с основными подходами метагеномной биоинформатики и особенностями аналитических подходов, применяемых для анализа природных микробных сообществ.
• Week 2 - Experimental Data (Экспериментальные данные)
• Welcome to the second week of our course! This week is dedicated to experimental metagenomic data. We start with metagenomic DNA (mDNA) isolation and go on to sequencing and analysis to understand what is so special about this type of data.
  Добро пожаловать на вторую неделю нашего курса! Эта неделя посвящена экспериментальным метагеномным данным. Мы пройдем от выделения метагеномной ДНК (мДНК) к ее секвенированию и анализу и поймем чем вызваны особенности этих данных и способов их получения.
• Week 3 - Analytical Approaches: 16s analysis (Аналитические подходы: анализ 16S)
• This week we are going to explain how the analysis of the 16S rRNA gene sequences helps evaluate microbial diversity in metagenomic communities. You will learn about the databases that store already existing 16S sequences, and will be introduced to the analytical program QIIME, which will help you when you transition to working on metagenomic projects using real data. На этой неделе мы познакомим вас с тем, как анализ последовательностей генов 16S рРНК позволяет оценить микробное разнообразие метагеномных проб. Расскажем о базах данных, которые хранят накопленную уже информацию о 16S сиквенсах и представим аналитическую программу QIIME, которая будет вам весьма полезна в вашей работе с реальными данными метагеномных проектов.
• Week 4 - Analytical Approaches: Binning (Аналитические подходы: биннинг)
• Welcome to the fourth week of the course. It will be devoted to binning. Don’t know what that is? Then you will be even more interested to discover what the basis of this analytical approach is and how it helps simplify the analysis of very complex metagenomic data. Stay with us!
  
  Добро пожаловать на четвертую неделю курса. Она будет посвящена биннингу. Вы не знаете что это такое? Тогда вам тем более будет интересно узнать на чем основан этот аналитический подход и как он помогает упростить задачу анализа очень сложных метагеномных данных. Оставайтесь с нами!
  
• Week 5 - Analytical Approaches: Metagenomic Assembly
• This week we will be talking about assembly of metagenomes. Many of you are already familiar with the assembly of individual genomes and know that this is not an easy task to accomplish. Metagenomic assembly is even more complicated! But do not worry! It too is feasible. On certain occasions you will even be able to assemble the complete genome of the dominant community representatives.But first we need to assess the quality of your data and decide how to proceed: should we undertake a whole genome assembly, or focus on the analysis of the genes that are most interesting to you producing a gene-centric assembly.We'll teach you how to make this choice, and what algorithms to use based on the particular case in front of you.This week promises to be anything but boring!
  А на этой неделе мы поговорим о сборке метагеномов. Многие из вас уже знакомы со сборкой отдельных геномов и представляют насколько непроста эта задача. А метагеномная еще сложнее! Но не пугайтесь, ее тоже можно произвести. А иногда даже собрать полный геном доминантных представителей сообществ. Но сначала, надо разобраться с качеством ваших данных и решить как действовать дальше: проводить полногеномную сборку или сконцентрировать усилия на анализе тех генов, которые вам наиболее интересны. Мы расскажем вам как сделать такой выбор и какими воспользоваться алгоритмами в том или ином случае. Мы точно знаем, что вам будет интересно!
• Week 6 - Analytical Approaches: Annotation and Metabolic Pathway Analysis (Аннотация и анализ метаболических путей)
• The sixth week is dedicated to the annotation of the produced metagenomic sequences and to the analysis of metabolic pathways.We have assembled all we could and now want to learn as much as possible about the biology of the metagenomic community we are studying: what genes are present in the metagnome? Why have the microorganisms formed a community? How does the community live and develop? How does it react to stress and much more!Analysis of metabolic pathways helps us understand the mechanisms of the interactions between microbes in natural communities, as well as the relationship between the microbes and the host. In practice having this information can prove to be crucial when undertaking such work as for example attempting to treat a variety of human diseases. And this is just one of the many possible areas of application.Let's jump right to it and get acquainted with these methods and approaches! Шестая неделя посвящена аннотации полученных метагеномных данных и анализу метаболических путей.Мы собрали все что смогли, а теперь хотим как можно больше узнать о биологии сообщества организмов, которое мы изучаем: какие гены входят в состав метагенома сообщества, что оно умеет, почему микроогранизмы образовали это сообщество, как оно живет и развивается, как реагирует на стрессы и многое другое. Анализ метаболических путей помогает понять механизмы взаимодействия между микробами в природных сообществах, а так же взаимоотношения между сообществом микробов и хозяином, что весьма важно знать, например, в практических медицинских целях при лечении целого ряда заболеваний человека. И не только.Давайте знакомиться в этими методами и походами!
• Week 7 - Metagenomic Project (Метагеномный проект)