Η εργασία αυτή παρουσιάζει μια τρισδιάστατη (3D) άσκηση προσομοίωσης για προπτυχιακούς φοιτητές στη χημεία και τις επιστήμες των κλάδων υγείας, εστιάζοντας σε μια πρωτεΐνομάδα που συνδέεται με τη ρύθμιση του ανοσοποιητικού συστήματος. Συγκεκριμένα, η άσκηση εμπλέκει τη μοριακή μοντελοποίηση με τη δομική ανάλυση των πρωτεϊνών του παράγοντα νέκρωσης όγκου (TNF) άγριου και μεταλλαγμένου τύπου. Επίσης έχει  εν συντομία διερευνηθεί και η δομή του υποδοχέα ογκονεκρωτικού παράγοντα τύπου 1 (TNF-R1) . Οι TNF και TNF-R1 παίζουν σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της ανθρώπινης ομοιόστασης του ανοσοποιητικού συστήματος. Κατά την σύνδεση με TNFR-1, η TNF μπορεί να ενεργοποιήσει τον πυρηνικό παράγοντα kΒ (ΝF-kB), καταλήγοντας τελικά σε απόπτωση ή κυτταρικό θάνατο. Αυτά τα βασικά χαρακτηριστικά των κλινικών οικογένειών TNF έχουν διερευνηθεί στο πλαίσιο των εργασιών ενός εύκολα προσαρμόσιμου προγράμματος εκμάθησης.

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός συνόλου δραστηριότητες μάθησης που μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε προπτυχιακό μάθημα βιοχημείας / βιολογίας. Οι μαθησιακοί στόχοι των δραστηριοτήτων διδασκαλίας είναι : (i)η επισκόπηση μερικών δομικών χαρακτηριστικών των αμινοξέων και των πρωτεϊνών και η ενημέρωση για διάφορες πειραματικές μεθόδους προσδιορισμού πρωτεϊνικών δομών. (ii) εισαγωγή ορισμένων βασικών στοιχείων της ανοσολογίας. (Iii) η εξοικείωση των σπουδαστών με ένα ευρέως διαθέσιμο πρότυπο λογισμικό που χρησιμοποιείται στον τομέα της δομικής βιολογίας (Iv) εξοικείωση με τις υπολογιζόμενες παραμέτρους που χρησιμοποιούνται συνήθως για την ποσοτικοποίηση των δομικών ιδιοτήτων των βιολογικών μορίων.

Η Μεθοδολογία βασίζεται στην προσομοίωση  μέσω του Accelrys-Discovery Studio Visualizer (DSV) και οι εργασίες μοντελοποίησης διανέμονται σε τρεις Αναθέσεις που βασίζονται στις δομές: TNF-α αγρίου τύπου (wtTNF-a, PDB ID: 1TNF) και  μεταλλαγμένου TNF-a (M3S) (PDB ID: 5TSW). Η Ανάθεση 1 περιγράφει τη δευτερογενή δομή και τις ιδιότητες του wtTNF-a, και η Ανάθεση 2 επικεντρώνεται στον μεταλλαγμένο TNF-a. Οι επιδράσεις των μεταλλάξεων και της δομικής υπέρθεσης του wt και mutual TNF-a εξετάζονται επίσης σύντομα στην Ανάθεση 2. Η Ανάθεση 3 ασχολείται με τη δομή πεδίων και υπομονάδων διεπιφανειακών καταλοίπων του TNF-R1.

Ένα δοκιμαστικό σχέδιο διδασκαλίας για 4 Συνεδρίες είναι :

Συνεδρία 1: Βασικές αρχές της πρωτεϊνικής δομής, συνάφεια του TNF και των διαρθρωτικών εκτιμήσεων και κλινική σημασία του TNF και του TNF-R στη διατήρηση της Ομοιόστασης του ανοσοσυστήματος.

Συνεδρία 2: Επίδειξη λογισμικού DSV και παράθυρο μοντελοποίησης και μενού βοήθειας από εκπαιδευτή (πρώτα 20 λεπτά στη τάξη). Οι μαθητές σε μικρές ομάδες εκτελούν εργασίες μοντελοποίησης. Εναρξη Ανάθεσης 1.

Συνεδρία 3: Ολοκλήρωση Ανάθεσης 1 και έναρξη Ανάθεσης 2.

Συνεδρία 4: Ολοκλήρωση αναθέσεων  2 και 3. Έναρξη δραστηριότητας με σύντομη αναφορά από κάθε φοιτητή, ενδεχομένως με τη μορφή βραχυπρόθεσμης εργασίας, με βάση αυτά που έμαθαν. Η αναφορά θα έχει  μορφή σύντομης εργασίας με αναζήτηση σε επιστημονικά περιοδικά. Περαιτέρω οι δραστηριότητες μετά την εκμάθηση μπορεί να περιλαμβάνουν παρουσίαση σεμιναρίων ή project από μαθητές, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που συνέλεξαν στις εκπαιδευτικές συνεδρίες.

Τα αναμενόμενα μαθησιακά αποτελέσματα των δραστηριοτήτων εκμάθησης είναι:

1. Η διεύρυνση της έννοιας της πρωτεϊνικής βιολογίας και η ανάπτυξη μιας βασικής ιδέας για τον τομέα της ανοσολογίας και των ανοσολογικών πρωτεϊνών.

2. H απόκτηση γνώσης για τις δομές 3D των πρωτεϊνών χωρίς να γίνονται πειράματα δομικής ανάλυσης.

3. H απόκτηση εμπειρίας με την ενσωμάτωση της ψηφιακής τεχνολογίας σε μια παραδοσιακή σειρά μαθημάτων

4. H γνώση της βάσης δεδομένων μέσω διαδικτύου και  λογισμικού για βιολογική μοντελοποίηση, και επίσης να είναι σε θέση να ερμηνεύουν βασικά αποτελέσματα μοντελοποίησης πρωτεϊνών στη δημοσιευμένη Βιβλιογραφία με τη βοήθεια γνωστών δομών pdb.

Υπάρχουν 4 δυνατές μέθοδοι αξιολόγησης για την επίτευξη των μαθησιακών αποτελεσμάτων:

1. Φοιτητικές ερωτήσεις ανάγνωσης με βάση οποιοδήποτε από τα μοντέλα Αναθέσης 1-3 και τη σχετική δομή PDB.
2.  Γνώση πριν και μετά της διάθεσης βασισμένη σε ερωτηματολόγια πολλαπλής επιλογής
3. Μετεκπαιδευτική έρευνα
4. Επιστημονική έκθεση

Συμπερασματικά, η εργασία αυτή δίνει μεγάλες υποσχέσεις στον σχεδιασμό φαρμάκων, στην ανάπτυξη υποβοηθούμενης δομής εμβολίων και στην προώθηση της φαρμακευτικής έρευνας. Η σύνδεση του TNF με το TNF-R1 προκαλεί πολλές πολύπλοκες οδούς σηματοδότησης συμπεριλαμβανομένης της κυτταρικής επιβίωσης, της κυτταρικής διαφοροποίησης και του κυτταρικού θανάτου. Παρόλο που ο TNF και ο TNF-R είναι ευρέως μελετημένοι, μερικοί μηχανισμόι σηματοδότησης και οι οδοί τους είναι ακόμη ασαφείς και μη καθορισμένοι. Έτσι, ως φυσική επέκταση αυτής της μελέτης, οι μαθητές μπορούν να διερευνήσουν νέα μονοπάτια του TNF και να  εξετάσουν πώς λειτουργούν αρκετές πρωτεΐνες μαζί για την κατασκευή του καταρράκτη σηματοδότησης.