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Bioinformática
João Carlos Setubal Departamento de Bioquímica
Instituto de Química – USP 2015
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O que é bioinformática
• O que é biologia?
– Estudo dos seres vivos
– Individualmente, macroscopicamente
• Zoologia, botânica
– Seus componentes
• Moléculas → células → tecidos → órgãos → indivíduos → populações → biosfera
– Suas relações: ecologia
– Seu funcionamento
• Bioquímica, Biologia molecular e celular
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O que é bioinformática
biologia informática
(física)
Matemática
Computação
Estatística
etc
Bioquímica
Medicina
Agronomia
etc
“ciências da vida” “ciências exatas”
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O paradigma científico dado pela física
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Movimento retrógrado de Marte
• Sabemos desse fenômeno graças a medições
– Olho ou auxiliar
– Tempo
• Conhecido desde os antigos gregos (séc V a.C.)
• Como se pode explicar esse fenômeno?
• Qual é sua causa?
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Precisamos de uma teoria
• Marte é um planeta que gira em torno da terra
• Epiciclos
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Esta teoria não explica bem os dados de observação
• Teoria heliocêntrica
– Copérnico (1510)
• Órbitas não são círculos, mas elipses
– Kepler (1610)
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Causa
• Gravidade
– Newton (1681)
• O que é a gravidade?
– Einstein (1905)
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Como foi possível todo esse progresso?
• Fenômenos celestes se prestam a ser medidos
– Os intrumentos de medição eram simples
• Tecnologia de cálculo
– Números arábicos
– Ábacos
– Logaritmos (1610)
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Duas grandes consequências
• Poder preditivo
• Geração de tecnologia
– Capacidade de “engenheirar”
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Poder Preditivo
• Consigo saber exatamente onde Marte vai estar (ou já esteve) no céu em qualquer dia do futuro e do passado, com precisão de minutos
• Predição de eclipses
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Predição de eclipses
http://eclipse.gsfc.nasa.gov/5MCSEmap/2901-3000/2903-01-19.gif
Duração
Quando
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Tecnologia
• Naves em Marte Plutão: 14/7!
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A biologia não era assim
• Basicamente descritiva
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de Aristóteles (350 a.C.) até Mendel (1865 d.C.)
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A biologia não era quantitativa
• Inveja da física
• Sem poder preditivo
– Como prever o resultado do cruzamento de variedades de ervilha?
• Até 1865 ninguém sabia a resposta
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Mas isto começou a mudar
• Lentamente no começo
– 35 anos entre as descobertas de Mendel e sua re-descoberta e disseminação
• Explosivamente agora
• A biologia ficou mais quantitativa
→ bioinformática
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Novos instrumentos de medida de fenômenos biológicos
• Principalmente moleculares
• Sequenciador de DNA – Tamanho de moléculas de DNA
– Constituição da molécula (A,C,G,T) (Genômica)
• Indiretamente: RNA – Medir expressão gênica (Transcritômica)
• Mas também – Proteínas
– Metabólitos
• Um panorama detalhado e quantitativo do que acontece dentro de uma célula
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8/7/2015 J. C. Setubal 24 http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255hist/mcb4.1.dogma.jpg
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Bioinformática
• Bioinformática hoje é um campo vasto, difícil de definir
• Mas o grosso do que se faz está associado à biologia molecular
– Em particular genômica e derivados
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Rápida história do sequenciamento
• 1944: DNA é o material da hereditariedade (Avery)
• 1953: estrutura do DNA é hélice dupla (Watson e Crick)
• 1970: obtenção manual de sequências
• 1977: sequenciamento de Sanger
• 1985: primeiros sequenciadores automáticos
• 1995: primeiro genoma de bactéria
• 2006: começo do sequenciamento de nova geração (Next Generation Sequencing)
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Next Generation Sequencing
• Tecnologias
– 454, SOLiD, Illumina, Ion
– PacBio, Oxford nanopore, GNU
• Efeitos
– Barateamento extraordinário
– Crescimento exponencial de volume de dados
– Novas aplicações
MINION
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![Page 29: Bem vindos ao Setulab! - iq.usp.br · “Predição de eclipses” e “naves espaciais” na biologia? • Predições de fenótipo a partir do genótipo –Lembrar que ambiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052716/5c0d550a09d3f254238d7192/html5/thumbnails/29.jpg)
MR Stratton et al. Nature 458, 719-724 (2009) doi:10.1038/nature07943
Improvements in the rate of DNA
sequencing over the past 30 years and into the future
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BGI (China): projetos
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Parafraseando Andy Warhol
• “todo mundo vai ser famoso por 15 minutos”
• Todo mundo terá seu genoma sequenciado
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Metagenomas
JC Setubal 33
DNA A comunidade
SEQ BIOINFO
organism
function
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http://h
utt
enhow
er.sph.h
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ard
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u/m
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ph
lan
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www.earthmicrobiome.org
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Outras aplicações
• Sequenciamento de espécies extintas
– Homem de Neandertal
• Diagnóstico médico
– Surtos em hospitais
– Sequenciamento de microbiomas de pacientes com doenças misteriosas
• Leptospira presente em menino nos EUA (2013)
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Bioinformática
• Tratamento computacional dessa massa de dados
– Armazenamento, estruturação (BD), visualização
– Mineração
– Análise (ferramentas)
– Integração
• Parte de um fenômeno maior: BIG DATA
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2010
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Bioinformática para NGS
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Volume
• Armazenamento
– 600 Gbp ≈ 600 Gigabytes, por corrida (12 dias)
– 30 x 600 = 18 Terabytes por ano
• Comunicação
– Como transferir pela internet 1 terabyte de dados?
• Escalabilidade dos programas
– Genômica comparativa
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Diagramas de Venn
n = 3
n = 6
Number of comparisons is quadratic in n
Number of regions in a Venn diagram is 2n Source: wikipedia
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Distâncias entre 50 genomas de Xanthomonas
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Robustez frente a erros e dados incompletos
• Mais erros de sequenciamento – Diferentes tecnologias tem diferentes erros
• Em alguns casos temos “buracos” nos dados – Genomas draft
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Máquinas
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Computação de Alto Desempenho: grandes máquinas e “nuvens”
Crédito: New York Times
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BGI
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Novos algoritmos
• Robustez perante erros
• Escalabilidade
– o venerável BLAST já não dá conta
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Integração de dados
• Promessa de novos conhecimentos
• Gargalo de processamento
• Gargalo de interpretação
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UCSC Genome Browser Hawkins et al, 2010
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Visualização
David LA, Alm EJ. Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion. Nature. 2011 469(7328):93-6.
“…map the
evolutionary history
of 3,983 gene
families across the
three domains of life
onto a geological
timeline.”
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Estatística
• Muito dado → muito ruído
• Estatística é fundamental para enxergar padrões verdadeiros nos dados
• novas técnicas
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We apply MIC and MINE to data sets in global health, gene expression, major-
league baseball, and the human gut microbiota and identify known and novel
relationships.
16 DECEMBER 2011 VOL 334 SCIENCE
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Biologia mais parecida com física
genômica transcritômica
proteômica metabolômica
Problema
central
Modelos predições
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A biologia também teve avanços extraordinários muito antes do sequenciamento de DNA
• Até 1980
– Avanços na medicina
• Antibióticos, intervenções cirúrgicas, medições internas
– Avanços na agronomia
• A “revolução verde” dos anos 70
Fonte: CDC/EUA
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Expectativa atual
• Uma biologia mais quantitativa e com maior poder preditivo vai poder dar novos saltos
• “Engenharia biológica” já é uma realidade
• Medicina personalizada cada vez mais perto
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“Predição de eclipses” e “naves espaciais” na biologia?
• Predições de fenótipo a partir do genótipo
– Lembrar que ambiente tem papel preponderante dependendo do traço genético
• Predições do resultado de interações entre entidades moleculares
– Desenho de remédios
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Sistemas biológicos são muito mais complexos do que os sistemas
físicos
“Menos cartesianos”
Uma nota de cautela
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O que é necessário para atuar em bioinformática?
• Ser (bem) treinado!
• Domínio de biologia molecular, computação, estatística, modelamento, ecologia
• Acompanhar evolução tecnológica
– Instrumentos medidores
– Técnicas, Algoritmos, Softwares
• Expansão das áreas de aplicação