АННОТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ПРОГРАММЫ

010700.68.02 «Биофизика»

Магистерское направление 010700.68 «Физика»

Цель обучения

Подготовка магистров в области биофизики, молекулярной и структурной биологии.

Условия обучения

Нормативный срок освоения основной образовательной программы подготовки магистра

при очной форме обучения 2 года. Обучения производится за счет средств, финансируемых из бюджета.

Требования к поступающим К поступлению в магистратуру допускаются лица, имеющие диплом бакалавра, специалиста или магистра (в последнем случае обучение только платное). Условия приема, перечень представляемых документов, виды и порядок проведения вступительных испытаний, а также процедура зачисления в магистратуру определяются правилами, утвержденными Ученым Советом СПбГПУ.

Согласно требованиям соответствующего государственного образовательного стандарта, для обучения по программам подготовки в магистратуре направления 010700 «Физика» наиболее подготовлены лица, имеющие диплом бакалавра, специалиста или магистра по следующим направлениям:

010700 - Физика;

010600 – Прикладные математика и физика;

010800 – Радиофизика;

140400 - Техническая физика.

НИР выпускающей кафедры, факультета Магистерская подготовка осуществляется в тесной связи с направлениями научноисследовательских работ, проводимых на кафедре «Биофизика»:

Структурно-функциональные исследования ферментов;

Теоретические и экспериментальные исследования процесса фолдинга белков;

Изучение структуры и функций биологических мембран, механизмов транспорта веществ в биологических мембранах;

Исследование молекулярно-генетических механизмов, обеспечивающих поддержание гомеостаза меди у млекопитающих;

Изучение молекулярных механизмов генетической рекомбинации, механизмов репарации повреждений ДНК у эукариот.

Профессорско-преподавательский состав Орлов Юрий Николаевич, профессор, д.ф.-м.н., заведующий кафедрой «Биофизика» – научный руководитель.

Пучкова Л.В., проф., д.б.н. Сварчевский А.Н., ст.н.с., к.б.н.

Власов Г.П., проф., д.х.н. Шелегедин В.Н., доц., к.б.н.

Саминский Е.М., проф., д.б.н. Петухов М.Г., к.т.н.

Маслов В.Г., проф., д.ф.-м.н. Савельев А.Н., к.б.н.

Королев В.Г., проф., д.ф.-м.н. Санькова Т.П., к.б.н.

Тимковский А.Л., проф., д.б.н. Сергеев В.Р., к.б.н.

Туроверов К.К., проф., д.б.н. Скворцов А.Н., к.б.н.

Вострюхина О.А., доц., к.б.н. Карпенко М.Н.

Учебный план Наименование курсов Общая трудоемкость освоения академические зачетные единицы часы (АЧ) трудоемкости (ЗЕТ) IX семестр Теоретическая физика (синергетика) 85 2, Биотехнология 51 Геномика 68 Введение в информационную биологию 68 Транскрипция и регуляция экспрессии генов 85 2, Молекулярные механизмы репарации 68 Молекулярные механизмы репликации 68 Специальный физический практикум 68 Молекулярная эволюция 68 Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации 85 2, Компьютерные технологии в науке и образовании 56 1, Современные проблемы физики (биофизики) 49 1, Научно-исследовательская работа в семестре 136 Научно-исследовательская практика 2 недели X семестр Теоретическая физика (биофизика) 80 2, Современные методы биофизики 80 2, Белковая инженерия 68 Биотехнология 68 Специальный физический практикум 96 Трансляция генетического кода 64 Молекулярная иммунология 64 Молекулярная вирусология 64 Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации 85 2, Компьютерные технологии в науке и образовании 82 2, Современные проблемы физики (биофизики) 49 1, Философские вопросы естествознания 60 Защита в чрезвычайных ситуациях 64 Научно-исследовательская работа в семестре 112 3, Научно-исследовательская практика 4 недели XI семестр История и методология физики 80 2, Молекулярная медицина 40 Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации 85 2, Компьютерные технологии в науке и образовании 67 Современные проблемы физики (биофизики) 49 1, Философские вопросы естествознания 60 Научно-исследовательская работа в семестре 64 Научно-исследовательская практика 10 недель XII семестр Работа над магистерской диссертацией 20 недель Педагогическая практика 4 недели Общий объём программы 4596 127, Содержание обучения Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации Цель дисциплины – подготовить студентов к свободному владению английским языком в их профессиональной области. В задачи дисциплины входит чтение и перевод литературы по актуальным проблемам физики, молекулярной биофизики, молекулярной медицины; реферирование и аннотирование научных текстов; просмотр видеозаписей лекций зарубежных ученых, обсуждения и выступления студентов на английском языке; обучение деловой переписке. В этот раздел программы входит просмотр видеозаписей 20 лекций зарубежных ученых. Все занятия проводятся на английском языке.

История и методология физики Курс посвящен изучению истории развития физических методов, возникновению и эволюции важнейших физических понятий. Изучаются основные разделы современной физики, ее взаимосвязь с другими естественно-научными дисциплинами, а также важнейшие достижения физики XX века. Особое внимание уделяется изучению истории формирования и развития современных научных методов исследования и их использования в области молекулярной биологии.

Приводятся сведения о жизни и научном творчестве величайших физиков прошлых времен и современности. Дается история возникновения биофизики: от расшифровки спиральной структуры ДНК до современных задач геномики, протеомики и метаболомики.

Компьютерные технологии в науке и образовании Новые информационные технологии в учебном процессе: структура аудио- и видеосредств и методика их применения. Структура и архитектура ПЭВМ, практические навыки работы с компьютером. Принципы построения автоматизированных обучающих и контролирующих систем. Применение пакетов прикладных программ в учебном процессе по биофизике и молекулярной биологии. Работа с программами ICM-Pro, BLAST, FASTA, CLUSTAW, ENDNOTE, Avogadro, GAMESS, ORCA. Использование информационных ресурсов сети Интернет. Специализированные базы данных в области молекулярной биологии: PDB, SCOP, SWISSPROT, ENTREZ, GENEBANK, PUBMED.

Современные проблемы физики (биофизики) Дисциплина посвящена последним достижениям и открытиям в области биофизики, молекулярной биологии и молекулярной медицины. Проходит в виде семинарских занятий, в которых принимают участие (приглашаются) ведущие ученые, специалистов в различных областях современной биологической науки. Предусматриваются также устные доклады магистрантов обзорного характера по темам магистерских диссертаций.

Философские вопросы естествознания Дисциплина рассматривает современные философские проблемы теории познания в естественных науках, в частности, в биологии и раскрывается посредством следующих тем: «Естественнонаучная картина мира»; «Образы науки в современной философии»; «Детерминация биологических систем. Понятие стиля научного мышления»; «Философские проблемы биологии»;

«Сущность и происхождение жизни»; «Влияние биологии на стиль научного мышления»; «Биология, математика и компьютерные науки»; «Современная биология как источник философских проблем»» «Проблема свободы научного исследования».

Защита в чрезвычайных ситуациях Стихийные бедствия, связанные с экологическими последствиями антропогенного воздействия на биосферу, создают ситуации, опасные для жизни и здоровья населения. Выбор мероприятий, сил и средств защиты зависит от специфики протекания чрезвычайных ситуаций экологического характера. Ликвидация последствий антропогенного воздействия на среду обитания включает в себя разработку новых технологий и методов защиты человека и объектов окружающей среды; обеспечение устойчивого и экотехнологического развития; организацию и обеспечение безопасности на рабочем месте с учетом требований охраны труда.

Теоретическая физика (синергетика) Дисциплина «Синергетика» помогает овладеть методами междисциплинарных знаний, включающих теорию самоорганизации, естественные науки и нелинейный математический анализ. Главные темы курса: базисные модели синергетики, основные положения и уравнения неравновесной термодинамики и статистической физики, анализ бифуркаций, устойчивости и динамического хаоса, образование пространственно-временных структур при необратимых процессах, которые часто происходят в биологических системах. Задачи курса: формирование научных представлений в областях современной нелинейной физики и математики, усвоение методов междисциплинарных знаний и их применение в научных исследованиях и конкретных разработках, рост общенаучной и философской культуры.

Современные методы биофизики (по выбору студентов) Дисциплина учит магистрантов использовать современные спектральные методы, предназначенные для исследования структуры и динамики биологических макромолекул: с принципами ЯМР-, масс-спектрометрии и спектрометрии кругового дихроизма, а также установки для изучения динамики бионаномашин («лазерный пинцет»). Курс предусматривает лабораторные занятия с целью приобретения практических навыков работы на современных приборах. Магистранты учатся использовать свои теоретические знания на практике, самостоятельно проводят пробоподготовку, и эксперименты, учатся пользоваться необходимое вспомогательное оборудование, интерпретировать результаты своей работы, приобретают опыт работы с программными продуктами анализа структуры и динамики сложных биологических молекул.

Теоретическая физика (биофизика) (по выбору студентов) Теоретическая биофизика является последним разделом теорфизики, который слушают студенты кафедры «Биофизика» в рамках магистерского образования. Он играет центральную роль в подготовке специалистов высшей квалификации, поскольку учит количественным методам моделирования биологических процессов. Курс построен с использованием результатов современных научных исследований, опубликованных за последние годы, а также использует уже сложившиеся методы и подходы математической физики, классической и квантовой механики, электродинамики и статистической физики.

Белковая инженерия. Биотехнология Белковая инженерия представляет собой инновационное направление в молекулярной энзимологии и биотехнологии. При изучении этой дисциплины магистранты знакомятся с современными методами исследования структуры и функции белков, основанными на возможности вносить направленные замены в аминокислотные последовательности белковых молекул. Методы белковой инженерии и биотехнологии, базирующиеся на методах генетической инженерии, включают рентгеноструктурный анализ, методы органического синтеза и молекулярное моделирование. В курсе рассматриваются также вопросы, связанные с белковым фолдингом, проникновением белков через биологические мембраны и природные химические модификации белков.

Дисциплина направлена на расширение научно-методического кругозора будущих исследователей в области молекулярной биологии.

За последние 20 лет в молекулярной биологии и генетике произошли революционные изменения. После разработки методов автоматического секвенирования ДНК началась эпоха массовой расшифровки геномов. Разработаны методические подходы, позволяющие получать фундаментальные знания об организации жизни на молекулярно-генетическом уровне и применения этих знаний для решения прикладных задач (здравоохранение, сельское хозяйство, биотехнология).

Геномика – комплексная наука, в задачу которой входит изучение организации и содержания генетической информации, закодированной в геноме данного организма, расшифровка функции каждого гена в геноме и особенностей его экспрессии, сравнительное исследование организации геномов разных организмов. Данный курс призван дать студентам знания об организации геномов эукариот. В задачи курса входит знакомство с методами секвенирования полных геномов, выяснения функций генов на основе компьютерных программ, методах сравнительного анализа геномов разных организмов.

Молекулярная медицина Курс «Молекулярная медицина» знакомит студентов с современными направлениями молекулярной биологии человека, которые связаны с изучением молекулярных механизмов наследственных и приобретенных заболеваний, с методами биохимической и генетической диагностики, с использованием методов биоинформатики для анализа и функциональной аннотации генома, с молекулярно-биологическими подходами коррекции наследственных заболеваний.

Молекулярные механизмы репликации и репарации ДНК Данный курс представляет собой подраздел молекулярной биологии, являющейся одной из базисных дисциплин для специалистов в области молекулярной биологии и медицины. Цель курса состоит в формировании у студентов современных представлений о механизмах безошибочного воспроизведения генома и обеспечения его стабильности. В курсе рассмотрены механизмы регуляции репликации и репарации в клетках про- и эукариот, их взаимосвязи с фазами клеточного цикла, восстановления нуклеопротеиновой структуры хромосом и сегрегации вновь синтезированных геномов. Часть курса посвящена экспериментальным подходам и методам исследования.

Специальный физический практикум Целью дисциплины «Специальный физический практикум» является практическое ознакомление магистрантов со сложными приборами, которые применяются в лабораториях молекулярно-биологического профиля.

В процессе выполнения дисциплины магистранты должны научиться использовать свои знания о сложных физических методах, таких как ЯМР- и масс-спектрометрия и другие на практике, понять регламент работы на приборах, интерпретировать результаты, приобрести опыт работы с программными продуктами анализа структуры сложных биологических молекул.

Транскрипция и регуляция экспрессии генов Системные знания о механизмах регуляции экспрессии генов сформировались в конце прошлого столетия и связаны с развитием таких областей науки, как генетическая инженерия, клеточная биология, молекулярная генетика. Дисциплина «Транскрипция и регуляция экспрессии генов» знакомит студентов с механизмами транскрипции, посттранскрипционными модификациями первичных продуктов транскрипции, регуляцией экспрессии генов на транскрипционном и посттранскрипционном уровнях, а также системами с глобальной регуляции генной экспрессии.

Дисциплина направлена на увеличение научно-методического кругозора будущих исследователей в области молекулярной генетики.

Трансляция генетического кода Дисциплина знакомит с устройством и функционированием сложной конденсированной субклеточной структуры – рибосомами, дает представления о механизмах трансляции генетического кода на рибосомах и синтезе белков. Он включает в себя краткую историю расшифровки генетического кода; анализ структуры и функции рибосом, а также рибосомных и транспортных РНК; процессы инициации, элонгации и терминации трансляции кода на рибосомах, рассматривает вопросы точности трансляции и отдельные случаи отклонения от стандартных правил прочтения генетического кода. Кроме того, в курсе рассматриваются физико-химические основания взаимного узнавания биологических объектов.

Молекулярная иммунология (по выбору студентов) Дисциплина «Молекулярная иммунология» рассматривает основы организации и функционирования иммунной системы. В лекциях рассматриваются как общие принципы построения и работы иммунной системы, так и детальное описание ее компонентов на молекулярном, клеточном и организменном уровне. Иммунная система рассматривается с разных точек зрения, что связано с различными подходами ее исследования: молекулярно биологическими, биохимическими, генетическими, биофизическими, цитологическими и эволюционными. В лекциях затрагиваются некоторые медицинские приложения данной области знания. Дисциплина направлена на формирование у студентов научных взглядов и исследовательских подходов в области молекулярной иммунологии.

Молекулярная вирусология (по выбору студентов) Цель курса «Молекулярная вирусология» состоит в: 1) ознакомлении с основными классами эукариотических вирусов (в первую очередь, с вирусами животных); 2) рассмотрении на примерах эукариотических вирусов основных молекулярно-биологических процессов (транскрипции, синтеза белка и репликации нуклеиновых кислот); 3) рассмотрении возможного использования эукариотических вирусов в генной инженерии и генной терапии Дисциплина направлена на расширение научно-методического кругозора будущих исследователей, показывает природные примеры использования различных стратегий транскрипции, трансляции и репликации различными вирусами в зависимости от композитного состава их генома.

Введение в информационную биологию (по выбору студентов) Эта дисциплина знакомит слушателей с использованием компьютеров для решения биологических задач. Под «информационной биологией (биоинформатикой)» понимается любое использование компьютеров для обработки и систематизации биологической информации с целью:

изучения геномов, анализа и предсказание структуры белков и их взаимодействий друг с другом и другими макромолекулами, а также моделирование эволюционных процессов живых систем.

Биоинформатика и её методы используются также в биохимии и биофизике. Основная линия биоинформатики — это использование математических средств для извлечения полезной информации из «шумных» или слишком объёмных данных о структуре ДНК и белков, полученных экспериментально. В данном курсе магистранты знакомятся с рядом современных программных продуктов, широко использующихся для анализа биологической информации с целью получения новых знаний:

ATC - геномный анализ Arlequin - анализ популяционно-генетических данных BioEdit - редактор множественного выравнивания нуклеотидных и аминокислотных последовательностей BLAST - поиск родственных последовательностей в базе данных нуклеотидных и аминокислотных последовательностей DnaSP - анализ полиморфизма последовательностей ДНК FigTree - редактор филогенетических деревьев MEGA - молекулярно-эволюционный генетический анализ Sequin - депонирование последовательностей в GenBank, EMLB, DDBJ T-Coffe - множественное прогрессивное выравнивание аминокислотных последовательностей.

Молекулярная эволюция (по выбору студентов) В середине XX века были установлены структуры генетических макромолекул – ДНК и белков, а также разработаны методы секвенирования последовательностей ДНК. Это позволило проводить сравнение последовательностей ДНК разных видов и организмов и исследовать эволюционную изменчивость видов на уровне генетических макромолекул. Основными задачами дисциплины «Молекулярная эволюция» являются рассмотрение закономерностей эволюции генетических макромолекул, а также принципов реконструкции эволюционной истории генов и организмов. При изложении этих вопросов используются результаты исследований в смежных областях науки: палеонтологии, генетике, молекулярной биологии, биофизике, математике и информатике.

Дисциплина направлена на увеличение научно-методического кругозора будущих исследователей, показывает примеры применения знаний из области математики и статистики для изучения эволюции биологических молекул.

Научно-исследовательская работа в семестре (Работа магистра в семестре) Целью научно-исследовательской работы магистрантов в семестре (НИРС) является практическое ознакомление студентов со всеми этапами научно-исследовательской работы.

Основная задача НИРС состоит в том, чтобы привить магистрантам навыки самостоятельного выполнения научных работ на основе знаний, полученных ими при изучении теоретических дисциплин, ознакомить их с техникой современного эксперимента, с реальными условиями работы в научных коллективах. В процессе выполнения НИРС магистранты должны научиться работать с научной литературой, составлять рефераты, статьи и тезисы конференций, решать отдельные теоретические задачи, самостоятельно планировать и проводить эксперименты, уметь оформлять и докладывать результаты своих исследований.

Требования к уровню подготовки магистра Магистр по направлению 010700 – Физика (Магистерская программа «Биофизика») должен быть подготовлен к решению следующих типов задач научно-исследовательской деятельности:

формулирование задачи и плана научного исследования в области биофизики, молекулярной и структурной биологии с применением современных информационных технологий;

выбор оптимального метода и разработка программ экспериментальных исследований, проведение измерений с выбором технических средств и обработкой результатов;

составление описаний проводимых исследований, подготовка данных для составления отчетов, обзоров и другой технической документации;

оформление отчетов, статей, рефератов на базе современных средств редактирования и печати в соответствии с установленными требованиями;

защита приоритета и новизны полученных результатов исследований, используя юридическую базу для охраны интеллектуальной собственности;

осуществление наладки, настройки и опытной проверки физических приборов, систем и Возможные места практики Центр «Нанобиотехнология», СПбГПУ Кафедра биофизики ФМФ СПбГПУ Институт цитологии РАН, С.-Петербург;

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, Гатчина;

Научно-исследовательский институт экспериментальной медицины РАМН, С.-Петербург;

Научно-исследовательский институт гриппа РАМН, С.-Петербург;

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, С.-Петербург;

Физико-технический институт РАН, С.-Петербург.

Лаборатории и оборудование Лабораторное оборудование и методы, применяемые в процессе обучения:

1. Общие лабораторные методы и оборудование для выделения и очистки биополимеров в том числе оборудование для культивирования микроорганизмов (термостаты, шейкеры, мешалки), оборудования для отделения и вскрытия биомассы (центрифуги, прессы), оборудования для концентрирования и фильтрации растворов биополимеров (модули на полых волокнах, фильтрационные установки, лиофильные сушки), хроматографическое оборудование (жидкостные хроматографы обычного и высокого давления).

2. Общие лабораторные методы и оборудование для анализа чистоты биополимеров в том числе оборудование, необходимое для проведения электрофореза и аналитической жидкостной хроматографии.

3. Общие лабораторные методы и оборудование для проведения работ в области генетической инженерии, в том числе оборудование для проведения ПЦР и секвенирования ДНК.

4. Приборы и оборудование для исследования оптических и флуоресцентных спектров биомолекул, в том числе спектрофотометры, флуориметры, спектрометр кругового дихроизма.

5. Оборудование и методы компьютерного моделирования, включая собственный компьютерный кластер.

6. Масс-спектрометр ион-циклотронного резонанса (9,4 Тесла, фирмы Varian, USA).

7. ЯМР-спектрометр высокого разрешения (700 МГц, фирмы Varian, USA).

8. Хромато-масс-спектрометра: LC-IT-TOF-MS (Shimadzu) Япония.

9. КД-спектрометр J-815 JASCO (Япония)