pontifícia universidade católica de goiás departamento de...
TRANSCRIPT
![Page 1: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/1.jpg)
Prof. Macks Wendhell Gonçalves, Msc
Pontifícia Universidade Católica de GoiásDepartamento de Biologia
Introdução a Bioinformática
Disciplina: Bioinformática Bio1015
![Page 2: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/2.jpg)
EMENTA
Introdução à bioinformática: conceitos, uso de bancos de dados,recuperação e formatos de sequências, BLAST, métodos dealinhamento de sequências, desenho de primers, compreensãoda bioinformática evolutiva, estudos de estruturas 3D deproteínas, panorama de vias metabólicas.
![Page 3: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/3.jpg)
OBJETIVOS DA DISCIPLINA
- Dotar os alunos de conhecimentos básicos sobre a aplicação da informática na análise dos processos biológicos a partir de dados de sequências de DNA, sequências de proteínas e de expressão gênica.
- Entender a importância do Projeto Genoma Humano- Entender a forma como a ciência da computação tem ajudado na exploração de dados biológicos.- Conhecer a história da genômica e da bioinformática.- Compreender os serviços bioinformáticos mais utilizados.- Conhecer os principais bancos de dados disponíveis para análises em bioinformática- Conhecer as principais ferramentas bioinformáticas utilizadas em Biologia Molecular
• Objetivos específicos
• Objetivo geral
![Page 4: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/4.jpg)
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
• Biologia na era da informática e importância da Bioinformática;• Revisão dos principais conceitos de Biologia molecular e conexão com conceitos de
informática;• Compreensão dos principais métodos de sequenciamento;• Breve histórico do Projeto Genoma Humano;• Apresentação e familiarização dos principais bancos de dados utilizados em
Bioinformática;• Obtenção de sequências (DNA e Proteína) e formato dos arquivos;• Compreensão e realização de técnicas de alinhamentos pareados;• Compreensão e realização de técnicas de alinhamentos múltiplos;• Desenho de primers;• Anotação de sequências;• Bioinformática evolutiva – construção de árvores filogenéticas;• Predição de Estrutura secundária e terciária de Proteínas • Principais recursos do Expasy;• Principais recursos do Protein Data Bank;• Principais recursos do KEGG.
![Page 5: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/5.jpg)
BIBLIOGRAFIA
• Básica
• Complementar
Schrank A. et al. Biologia molecular básica. 3 ed. Porto Alegre: Mercado Aberto, 2003.
Alberts, Bruce. Biologia molecular da célula. 4. ed. Porto Alegre: Artmed, 2006[i.e.2004]. 1463 p.
Prosdocimi et al. Bioinformática: Manual do Usuário. Um guia amplo e básico sobrediversos aspectos desta nova ciência. Revista Biotecnologia 29.
Prosdocimi & Santos. Sobre bioinformática, genoma e ciência. Ciência Hoje.Malone et al. 2006. R. Bras. Agrociência, Pelotas, v. 12, n. 1, p. 07-13, jan-mar, 2(http://www.ufpel.tche.br/faem/agrociencia/v12n1/artigo02.pdf)
Binneck E. As ômicas: integrando a bioinformação. Revista Biotecnologia 32.Prosdocimi, F. Curso de bioinformática.
![Page 6: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/6.jpg)
O que é a bioinformática?
A bioinformática consiste em todo tipo de estudo ou de ferramenta computacional que se pode realizar e/ou produzir de forma a organizar ou obter informação biológica a partir de sequências de biomoléculas.
A Bioinformática é uma nova disciplina científica com raízes nas Ciências da Computação, Estatística, Genética, Bioquímica e Biologia Molecular.
• A 10 anos atrás o termo nem existia.
![Page 7: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/7.jpg)
![Page 8: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/8.jpg)
Bioinformática
Interpretação da linguagem dos genes por algoritmos oriundos da
informática
Aprendizado automático a partir de grande volume de dados
Geração de hipóteses a partir
dos dadosCriação de bancos
de dados.
Leitura de informações contidas no código genético
Desenvolvimento de softwares que otimize a
análise de bancos de dados genômicos
Para que serve a bioinformática?
![Page 9: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/9.jpg)
Contexto Histórico
A história começa na década de 1940 com a invenção do moderno computador digital
Colossus
![Page 10: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/10.jpg)
Contexto Histórico- Ele se chama digital, pois os dados são armazenados
com um alfabeto binário
- Dígitos binários – 0 e 1 (Liga/desliga) Possível graças aos transístores
Em 1944, Avery e colaboradores descobriram que o DNA era a substância que carregava a informação genética
Usando a descoberta de Avery como referência, vemos que o nascimento do moderno computador digital e da moderna
biologia molecular se deram mais ou menos ao mesmo tempo
![Page 11: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/11.jpg)
Contexto Histórico
A descoberta da hélice dupla, em 1953, mostrou que a informação genética também é armazenada de forma digital
- Mas diferente do alfabeto binário dos computadores, os dados genéticos são armazenados com um alfabeto quaternário “A, C, G e T”
- Mais tarde se descobriu que a forma dos genes operarem também é digital, os genes podem ser “ligados” ou “desligados”
Apenas estas observações já seria suficiente para prever, na década de 1950, que um dia informática e biologia molecular iriam juntas fazer nascer uma nova área de conhecimento
![Page 12: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/12.jpg)
Contexto Histórico
O nascimento da área, entretanto, teve de esperar muito tempo para acontecer
Essa é a razão da bioinformática ser uma aparente novidade
Algumas pessoas consideram que a bioinformática passou a ser reconhecida como importante pelo mundo científico por volta de 1995, ano que o primeiro genoma de uma bactéria foi publicado
Por que tão longa demora?
![Page 13: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/13.jpg)
Contexto Histórico
Do lado da biologia molecular o motivo é simples
- Apesar da estrutura do DNA ter sido desvendada em 1953, a informação nela contida não podia ser “lida”
- Foi como tivéssemos descoberto o alfabeto utilizado para escrever “o livro da vida”, mas as “palavras” desse livro estavam com letrinhas tão pequenas que não conseguíamos lê-las
- Foi preciso esperar até fins da década de 1980 para que aparecesse uma “lente de aumento” suficientemente boa que permitisse a leitura dessas letrinhas em grande quantidade
Uma máquina automática- Em 1995, uma única máquina dessas já conseguia ler milhares de
letrinhas por dia
![Page 14: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/14.jpg)
Contexto Histórico
Do lado da computação foi também preciso um amadurecimento
- Computadores sendo capazes de armazenar cada vez mais informação, de processá-la de modo cada vez mais rápido, a um custo cada vez menor
- Se o sequenciamento automático do DNA tivesse amadurecido mais rapidamente, não haveria computadores com poder suficiente para dar conta dos dados gerados
- Na década de 1970 a unidade básica de armazenamento de informação era o kilobyte - 1024 bytes, aproximadamente 1000 letras
![Page 15: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/15.jpg)
Contexto Histórico
Então, através de uma evolução que parece mais ou menos sincronizada, desembocamos em 1995
Os computadores já estavam suficientemente poderosos para poder processar os milhões e milhões de letrinhas que passaram a vir à luz.
E assim nasceu a bioinformática, com a missão de ajudar-nos a entender a história que está escrita
nesse livro da vida
![Page 16: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/16.jpg)
Surgimento da bioinformática
Com o surgimento dos sequenciadores capilares de DNA em larga escala gerou-se uma enorme quantidade de informação biológica, de modo que seria impossível de se analisar manualmente.
Crescimento do GenBank. Crescimento exponencial do número de sequências contidas nesse banco de dados ao longo de duas décadas.
Fonte: GenBank
![Page 17: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/17.jpg)
Surgimento da bioinformática
1988É fundada a Human Genome Oganization (HUGO), uma organização internacional de cientistas para sequenciar e anotar o genoma humano.
![Page 18: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/18.jpg)
Surgimento da bioinformática
1988Foi criado o National Center for Biotechnology Information (NCBI), como um repositório de diversas bases de dados biológicas (como o GenBank).
![Page 19: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/19.jpg)
Surgimento da bioinformática
1993O primeiro mapa de genoma bacteriano completo é publicado (Haemophilus influenzae) e termina a primeira fase do Projeto Genoma Humano, com o mapeamento genético pela Genethon
![Page 20: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/20.jpg)
Surgimento da bioinformática
2003Depois de uma década o genoma humano é finalmente publicado
![Page 21: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/21.jpg)
Objetivos da bioinformática
• Reconhecimento de padrões• Criação de algoritmos• Descoberta de genes• Descoberta de novos fármacos• Alinhamento de estruturas de
proteínas• Agrupar proteínas homólogas• Predição de estruturas de proteínas• Previsão de expressão gênica e
interações de proteínas• Identificar inibidores de enzimas• Estudos de associação ampla de
genoma e modelagem da evolução
![Page 22: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/22.jpg)
Biologia computadorizada Bioinformáticax
Diz respeito a qualquer aplicação da computação
na área biológica.
Está frequentemente associada a análises de sequências do genoma,
transcriptoma e proteoma.
Biologia computadorizada e a Bioinformática
![Page 23: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/23.jpg)
Paradigmas da Bioinformática
1º
2º
3º
Ferramentas de bioinformática são produzidas para construir os edifícios genômicos. Ex: Projeto Genoma
Mineração do grande volume de dados
biológicos em genômica gerados.
Onde a genômica encontra a ciência e o método científico de
observação: hipótese, experimentação
resultados.
![Page 24: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/24.jpg)
Paradigmas da Bioinformática
Montagem de DNA
- Um genoma de bactéria tem em geral 3 ou 4 milhões de letrinhas ou bases. As máquinas sequenciadoras conseguem ler apenas pedaços de cerca de 1000 bases
- A solução é gerar uma enorme quantidade de fragmentos que tenham sobreposição entre si. Para ler 3 ou 4 milhões são necessários cerca de 100 mil desses fragmentos
Aí, obviamente, é necessário um programa de computador para montar esse quebra cabeça
- Como é possível montar um livro com 4 milhões se só conseguimos ler fragmentos de 1000 bases?
![Page 25: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/25.jpg)
Paradigmas da Bioinformática
Funções dos genes já identificados em estudos.
Frequentemente esse é o perfil de resultados de trabalhos em Genômica –Ciência descritiva.
É preciso utilizar a “peneira” para gerar dados mais informativos e relevantes
![Page 26: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/26.jpg)
Paradigmas da Bioinformática
Aprendizagem de Máquina (AM)
• Principal preocupação
- Como construir programas de computador que automaticamente melhoram seu desempenho com a experiência?
• Técnicas orientadas a dados
- Aprendem automaticamente a partir de grandes volumes de dados- Geração de hipóteses a partir dos dados
![Page 27: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/27.jpg)
Algumas Técnicas
Redes Neurais Artificiais (RNs) Máquinas de Vetores Suporte (SVMs) Algoritmos de Agrupamento (AA) Algoritmos Genéticos (AGs) Árvores de Decisão (ADs) Raciocínio Baseado em Casos (RBC) K-vizinhos mais próximos (kNN)
Aprendizagem de Máquina
![Page 28: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/28.jpg)
Problemas em Biologia Molecular que podem ser tratados por AM
Reconhecimento de genes Reconstrução de árvores filogenéticas Análise de dados de expressão gênica Previsão de estruturas de proteínas Análise de interação entre genes Montagem de fragmentos Alinhamento de sequências
Aprendizagem de Máquina
![Page 29: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/29.jpg)
Área estratégica de pesquisa
Os bancos de dados genômicos disponíveis gratuitamente na internet hoje contêm mais informação biológica do que todos os cientistas do mundo serão capazes de analisar, não importa quanto tempo se dediquem
Dados gratuitos e de qualidadeMuitas vezes pobremente analisados: a corrida genômicaBrasil: pra quê financiar pesquisas tão caras?Não seria melhor investir na educação?
Tarefa do bioinformata Ser criativo e produtivo ao mesmo tempoNão perde o tempo da produção do dadoEconomiza “50%” do esforço científico
![Page 30: Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de ...professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/18497... · A bioinformática consiste em todo tipo de estudo](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022042015/5e73ebddf67981637a048dfb/html5/thumbnails/30.jpg)
Bioinformática e suas aplicações
Ciência básica- Construção de árvores filogenéticas;- Montagem e caracterização de genomas;
Na medicina- Diagnóstico e tratamento;- Analisar uma Mutação nova de uma doença e comparar com
outras mutações em bancos de dados;- Farmacogenética;- Alvos proteicos com potencial de serem modificados com
fármacos minimizando as causas da doença;- Terapia gênica