Universidade Federal de PelotasFaculdade de Agronomia Eliseu Maciel

Bioinformática! Ciência ou tecnologia?

Como usar?!

Luciano Carlos da MaiaFAEM / UFPel – Departamento de Fitotecnia

Bioinfomática…uma nova abordagem nas ciências biológicas!

Por que ?

Isso virou moda agora!

Necessito dela? Isso vai me ajudar?

CIÊNCIA/TECNOLOGIA

SAÚDE

BIOTECNOLOGIA

GENÔMICA, PROTEÔMICA, ...ÔMICAs..., ...ÔMICAs...,

AGRICULTURA

DESAFIO PARA FUTURO

SOCIEDADE

BIOINFORMÁTICA

MÉTODO CIENTÍFICO

Conhecer….conhecimento….

Conhecimento Empírico (ou conhecimento vulgar, ou senso-comum) É o conhecimento obtido ao acaso, após inúmeras tentativas, ou seja, o conhecimento adquirido através de ações não planejadas. > Esta chave trava na fechadura e, de tanto tentar abrir a porta, acabei por descobrir (conhecer) um jeitinho de abrir a porta...

Conhecimento Filosófico É fruto do raciocínio e da reflexão humana. É o conhecimento especulativo sobre fenômenos, gerando conceitos subjetivos. Busca dar sentido aos fenômenos gerais do universo, ultrapassando os limites formais da ciência. >"O homem é a ponte entre o animal e o além-homem"

Conhecimento Teológico Conhecimento revelado pela fé divina ou crença religiosa. Não pode, por sua origem, ser confirmado ou negado. Depende da formação moral e das crenças de cada indivíduo. >“Confio no meu anjo da guarda”.

Conhecimento Científico É o conhecimento racional, sistemático, exato e verificável da realidade. Sua origem está nos procedimentos de verificação baseados na metodologia científica.

Método científicoEstratégia ou procedimento geral da ciência aplicado no processo de aquisição de conhecimento científico.

Compreende um conjunto ordenado de operações para a caracterização e solução de problemas científicos, que é comum a todas as áreas da ciência.

Ciência Processo lógico de investigação para a solução de problemas e a busca de respostas a questões referentes a fenômenos naturais

MÉTODO CIENTÍFICO

Problema científico Indagação, questão ou pergunta específica referente a relações de conexão entre características das unidades da população, que seja respondível por meio do método científico, com as técnicas, procedimentos e recursos disponíveis.

Conhecimento científicoConhecimento gerado através do método científico.

A parábola de Chuang-Tzu

Chuang-Tzu...sonhou que era uma borboleta e,

ao despertar, não sabia se era um homem que havia sonhado ser uma borboleta ou uma borboleta que agora sonhava ser homem.

Chuang-Tzu (filósofo chinês do Século IV a.C.)

MÉTODO CIENTÍFICO

Como podemos saber se toda nossa existência nao é um sonho?

“Todo homem é um ser pensante”ENTÃO:Se eu estou pensando…então sou eu que existo…logo, eu não sou um sonho….logo, eu existo!

Cogito, ergo sum

Dubito, ergo cogito, ergo sumDEDUÇÃO

MÉTODO CIENTÍFICO

2)Método dedutivo latin “levar”

>>O método dedutivo parte do geral para o particular.

Descartes:Se todos os homens que existem pensam.Se eu penso.Então eu existo.

Quando deduzimos algo, partimos de premissas já conhecidas, portanto chegamos a verdades praticamente inquestionáveis.

1)Método indutivolatin “ trazer”

>> O método indutivo parte do particular para o geral.

Operação que consiste em se estabelecer uma verdade universal ou uma proposição geral com base no conhecimento de certo número de dados.

MÉTODO CIENTÍFICO

(constatações particulares)

(afirmação geral - Leis)

Primeiro etapa) Indução:

“um dia João morreu“ “um dia Maria morreu“ “um dia Pedro morreu“Muitos seres humanos um dia morreram

Logo, deduzimos que:

"todos os seres humanos um dia morrem"

Segundo etapa) Dedução:

”Se todos os humanos um dia morrem" (afirmação geral) Se eu sou um humano!

Logo, deduzimos que:

“Um dia vou morrer..." (afirmação particular)

MÉTODO CIENTÍFICO

Método indutivo

>> O método indutivo parte do particular para o geral.

Operação que consiste em se estabelecer uma verdade universal ou uma proposição geral com base no conhecimento de certo número de dados.

Afirmação que pode ser verdadeira ou falsa

“...Por maior que seja o número de observações particulares, não há justificação racional para a sua generalização a todos os casos...”

Falseacionismo de Karl Popper

MÉTODO CIENTÍFICO

Falseacionismo de Karl Popper

A Lógica da Descoberta Científica, 1934

Tudo o que existe é provisório.

“Não importa quantos cisnes brancos você veja ao longo da vida; isso nunca lhe dará certeza de que cisnes negros não existem.” (Karl Popper)

sujeitos a “refutações”é falseável

MÉTODO CIENTIFICO

Afirmações falsificáveis:

Nunca chove às quartas-feiras.

Todas as substâncias se expandem quando aquecidas.

Tudo que sobe desce.

Altura tem correlação com peso.

MÉTODO CIENTIFICO

Afirmações não falsificáveis:

Ou está chovendo ou não está chovendo.

Todos os pontos num círculo são eqüidistantes do centro.

A sorte é possível na especulação esportiva

Só ganha na loteria quem apostar na loteria.

Bananeira não produz café.

MÉTODO CIENTIFICO

e a BIONFORMÁTICA…?!

O quem tem com isso??

Origem e história da bioinformática

ALINHAMENTO DE PROTEÍNAS

Final dos anos 50...

NASA coleta informações sobre a atmosfera de Venus

Origem e história da bioinformática

Final dos anos 50...

Com dados da NASA, Carl Sagan (Havard) e Lippincot (Maryland) orientama tese de doutorado em Fisico-Quimica de Margaret Dayhoff, onde ela Desenvolve sistemas de computador para cálculos de bioquímica.

Origem e história da bioinformática

Origem e história da bioinformática

Ellis Lippencott, Carl Sagan modelos termodinâmicos dos sistemas químicos para as atmosferas de vários planetas, incluindo a predição de reações químicas pré-biótica na terra

e o DNA e RNA????

Modelo que explica o

Efeito estufa

University of Cambridge

1953 - Sangerthe first complete sequence of a protein –insulin also examined insulin from other species:pig, sheep, horse, etc..

In Vienna, Hans Tuppy (a student of Sanger),cytochrome c proteinin horse, ox, pig, salmon, and chicken

University of Maryland - National Biomedical Research Foundation (NBRF)

Atlas of Protein Sequence and Structure in 1965

Origem e história da bioinformática

Alinhamento de seqüências

anos 50seqüências de aminoácidos das famílias protéicas: insulina, citocromo c, ribonuclease, adrenocortico-tropin, melanotropin,

vasopressin, oxytocitin and hypertension, etc..

para cerca de 20 espécies (homem, gato, cachorro, cavalo, ovelha, etc...

Dayhoff criou um programa de computador (cartão perfurado) paraestudar todas as sequencias conhecidas….

Origem experimental da Matriz PAM

Immunoglobulin

Origem experimental da Matriz PAM

Immunoglobulin

• Considerou seqüências de aminoácidos com pelo menos 85% de identidade

• As substituições de aminoácidos foram estimados com base em: 1572 mudanças em 71 grupos de seqüências de proteínas.

A matriz PAM1 é calculada a partir da comparação entre seqüências com FUNÇÃO conservada, entretanto contendo diferenças em alguns aá

• PAM (point accept mutation)

Alinhamento de seqüências

anos 50 seqüências de aminoácidos das famílias protéicas: insulina, citocromo c, ribonuclease, adrenocortico-tropin, melanotropin,

vasopressin, oxytocitin and hypertension, etc..

para cerca de 20 espécies (homem, gato, cachorro, cavalo, ovelha, etc...

IDENTIDADESIMILARIDADE

Alinhamento de seqüências

INDUÇÃO

1)AS SEQUENCIAS DE PROTEINAS QUE ELA ANALISOU TEM MAIS QUE 85% DE IDENTIDADE

2)SOBRARAM 15% DE DIFERENÇAS

3) AS PROTEINAS QUE TEM ESSES 15% DE DIFERENÇAS MANTEM A MESMA FUNÇÃO

ENTAO;

ISSO QUER DIZER QUE:

AQUELES AMINO ACIDOS QUE SOFRERAM MUDANÇAS, NESTE 15%, SÃO AMINOACIDOS COM MESMA FUNÇÃO QUIMICA, POIS NÃO MUDARAM A FUNÇÃO BIOQUMICA DAS PROTEINAS

LOGO:PODEMOS ASSUMIR COMO VERDADE ABSOLUTA, QUE, ESSES AMINO ACIDOS TEM FUNÇÃO “SIMILAR”

PENSANMENTO DA MARGARET DAYHOFF...

CONFIRMANDO OS ACHADOS DE DAYHOFF....

Alinhamento de seqüências

Qual a taxa de mudanças entre estes AA??...

Alinhamento de seqüências

Dayhoff propos que;

Se analisando várias proteinas,e Ala muda para Gly, frequentementesem mudar a função destas proteinas,então, estes AA são parecidos...ou seja, podem ser considerados SIMILARES

Logo:

AA SIMILARESaquele que tem mesmfunção quimica/bioquimica numa proteina

Alinhamento de seqüências

ENTÃO, COM OS DADOS DE DAYHOFF, CRIOU SE UMA “LEI”...EM BIOQUMICA

:::ALGUNS AMINO ACIDOS TEM FUNÇÃO SIMILAR:::OUTROS NÃO...

ENTÃO, TODA VEZ QUE PEGARMOS DUAS SEQUENCIAS DE PROTEINASE ALINHARMOS ESTAS DUAS ENTRE SI,

SE ELAS TIVEREM:MAIS QUE 85% DE IDENTIDADEE O RESTANTE DOS AMINO ÁCIDOS FOREM “SIMILARES”

ENTÃO: “PODEMOS ASSUMIR QUE ELAS TEM A MESMA FUNÇÃO”

ISSO É A “INDUÇÃO” DE UMA LEI CIENTIFICAOU

UMA VERDADE CIENTIFICA

Alinhamento de seqüências

IDENTIDADE 6/14 = 42,85%

SIMILARIDADE 7/14 = 50,00%

IDENTIDADE : Resíduos iguais (IDENTICOS!!!)

SIMILARIDADE : Resíduos iguais + resíduos parecidos (SIMILARES!!!)

Alinhamento de seqüências

seq1

seq2

E COMO USAMOS ESTA “LEI CIENTIFICA” ?

E COMO USAMOS ESTA “VERDADE CIENTIFICA” ?

LEMBRE SE:MÉTODO CIENTIFICO É COMPOSTO DE:

1)INDUÇÃO2)DEDUÇÃO

PASSO 1: INDUÇÃO (foi feito pela Daihoff)Seqüências iguais/similares codificam uma mesma proteína, com mesma função bioquimica/fisiologica

Comparação entre seqüências...

DEDUÇÃO

PASSO 2: DEDUÇÃO (com base numa VERDADE CIENTIFICA já postulada)Se eu pegar uma sequencia desconhecida de amino ácidos e quando eu fizer um alinhamento com um banco de SEQUENCIAS CONHECIDAS, e a minha SEQUENCIA DESCONHECIDA se alinhar COM UMA ADH1 mantendo >85% identidade + similaridades

LOGO: posso DEDUZIR (afirmar ou negar algo)...

DEDUÇÃO:Minha sequencia é SIMILAR com uma ADH1 conhecida, então posso

DEDUZIR que ela tem a mesma função que ADH1

Fatos adquiridos através de observação

InduçãoDedução

Leis e teorias

Previsões e explicações

Exemplo de DEDUÇÃO que deu certo em bioinformática

PAX (Paired box)

aniridiaeyeless

Um exemplo “clássico” e “correto” de um problema cientifico...

Em experimentação agricola

Problema Cientifico:Baixa qualidade de trigo no RS

HIPOTESE (em alguns casos CONJECTURA):A ocorrência de Giberella nas lavouras de trigo é a responsável pela redução da qualidade, então, se eu eliminar os fungos não terei perda na qualidade do trigo

LEI: O USO DE FUNGICIDAS ELIMINA A OCORRENCIA DE FUNGOS (Giberella)**posso tomar isso como Lei (, pois alguém já fez testes e chegou a esta VERDADE (indução)

VERIFICAÇÃO DA HIPOTESE:1)FAZER UM EXPERIMENTO...UTILIZANDO “MÉTODO CIENTIFICO”

**CASUALIZAÇÃO/DELINEAMENTO/PRESENÇA/AUSENCIA DO FUNGICIDA***COLETA E ANALISE DOS DADOS****analise dos resultados

CONCLUSÃO: (DEDUÇÃO)SEGUNDO O MÉTODO “XXXX” A QUALIDADE DE TRIGO FOI SUPERIOR QUANDONÃO EXISTIU A INFESTAÇÃO POR FUNGOS

Comparação entre seqüências...

DEDUÇÃOTEMOS QUE SEMPRE RESERVAR APOSSIBILIDADE DE FALSEAR (“refutar”)ESTE ANO O CLIMA* NAO ERA PROPICIO PARA A OCORRENCIA DO FUNGO

**se nao conhecermos dados sobre climas p ocorrencia do fungo

Um exemplo em bioinformática/biologia molecular

“ERRADO”

PROBLEMA CIENTIFICO: TRANSORTE DE AGUA EM CELULAS VGETAIS

HIPOTESE (em alguns casos CONJECTURA):NA ESPÉCIE Homo sapiens A PROTEINA AQUAPORINA_1 EXECUTA UMA FUNÇÃO DE

“TRANSPORTE DE AGUA”, PELAS MEMBRANASENTAO,SE ESTA PROTEINA SE ALINHAR COM UMA PROTEINA “XXX” EM ARROZ, QUER DIZER QUE A PROTEINA “XXX” , DO ARROZ, TAMBEM É RESPONSAVÉL PELO

TRANSPORTE DE AGUA NO ARROZ…

LEI: SEQUENCIAS SIMILARES TEM A MESMA FUNÇÃO (já é lei...)Pois, segundo os postulados (VERDADE CIENTIFICA) da Dra Dayhoff, quando duas

seqüências são similares...elas codificam para uma mesma proteína...que possui a mesma função bioquimica

VERIFICAÇÃO DA HIPOTESE:1)FAZER UM ALINHAMENTO

**digamos que tenha uma similaridade de 90%

CONCLUSÃO: (DEDUÇÃO)A sequencia que eu encontrei no arroz é similar aquela AQP1 do homem, então ela é

responsavel pelo transporte de agua

Comparação entre seqüências...

DEDUÇÃOTEMOS QUE SEMPRE RESERVAR A POSSIBILIDADE DE FALSEAR (“refutar”)….MAS COMO?

Um exemplo em bioinformática/biologia molecular

“CORRETO”

PROBLEMA CIENTIFICO: TRANSPORTE DE AGUA EM CELULAS VGETAIS

HIPOTESE (em alguns casos CONJECTURA):NA ESPÉCIE Homo sapiens A PROTEINA AQUAPORINA_1 EXECUTA UMA FUNÇÃO DE “TRANSPORTE

DE AGUA”, PELAS MEMBRANASENTAO,SE ESTA PROTEINA SE ALINHAR COM UMA PROTEINA “XXX” EM ARROZ, QUER DIZER QUE A PROTEINA “XXX”, DO ARROZ, POSSIVELMENTE SEJA RESPONSAVÉL PELO

TRANSPORTE DE AGUA NO ARROZ…

LEI: SEQUENCIAS SIMILARES TEM A MESMA FUNÇÃO (já é lei...)Pois, segundo os postulados (VERDADE CIENTIFICA) da Dra Dayhoff, quando duas seqüências são

similares...elas codificam para uma mesma proteína...que possui a mesma função bioquimicaNA VERDADE É:SEQUENCIAS SIMILARES TEM MESMA ORIGEM NUM ANCESTRAL, DURANTE A EVOLUÇÃO DAS ESPÉCIES,SENDO CONSIDERADAS HOMOLOGAS, E EXISTE UMA GRANDE POSSIBILIDADE QUE ELAS TENHAS A MESMA FUNÇÃO MOLECULAR/BIOQUIMICA, POIS, DURANTE A EVOLUÇÃOS AS PROTEINAS FORAM SE DERIVANDO E GANHANDO/PERDENDO/MANTENDO FUNÇÕES.

VERIFICAÇÃO DA HIPOTESE:1)FAZER UM ALINHAMENTO

**digamos que tenha uma similaridade de 90%

CONCLUSÃO: (DEDUÇÃO)A sequencia que eu encontrei no arroz é similar aquela AQP1 do homem, então EXISTE A POSSIBILIDADE que ela seja responsável pelo transporte de agua [no arroz]entretanto,é necessária a comprovação através de experimentos BALABALALALLA e/ou BAKAAAKAKAKA

Comparação entre seqüências...

Comparação entre seqüências...

MAS POR QUE ISSO?!

…NEM TUDO QUE RELUZ É OURO…CUIDADO…vamos refletir…

Por que as proteínas tem sequencias parecidas em diferentes espécies?

Se elas são muito parecidas então já podemos dizer qual é a função daquela desconhecida?!!!

EVOLUÇÃO e/ou DERIVAÇÃO DAS ESPÉCIES

São homologas!Mas as funções tem resultados diferentes!!

ASA

MÃO

“NADADEIRAS”

Definições...

Homologia refere-se a relação evolutiva entre as orgãos, estruturas, etc…(Darvin)

Em bioinformática, dizemos que duas sequências homólogas se elas derivam de uma mesma sequencia num ancentral.

NAO GARANTE QUE DESEMPENHEM A MESMA FUNÇÃO!somente tem origem comum.

***ex: minha mão e a asa do morcego

HOMÓLOGO ?!

Interpretar as informações...

SÃO PARECIDAS ??TEM A MESMA FUNÇÃO ??!!

SÃO HOMOLOGOS ?

Depende dos “olhos” de quem esta olhando...

…e além disso…

aplicação

BANCOS DE DADOSGENOMA/TRANSCRIPTOMA

PROTEOMA

Modelos BIOLÓGICOS(BIOQUIMICA/GENÉTICA)

bioinformática

in silico

EXPERIMENTO--------------------------

Testes BIOLOGIA MOLECULAR

in vitro

PROBLEMA---------------PERGUNTABIOLOGICA

in vivo

RESPOSTA

in vivo

BIOINFORMÁTICA

“técnicas” (para auxílio)

Método científicoEstratégia ou procedimento geral da ciência aplicado no processo de aquisição de conhecimento científico.

1) Avanço científico>Avanço tecnológico

>Produtoagricultura/pecuária

agronomiaveterinária

nutriçãotecnologia alimentos

saúde medicinafarmácia

Considerações…

Necessidades/demandas da humanidadedemanda por novas técnologias

Biotecnologia e Bioinformática = Soluções (?!)

Método cientificodedução/indução / Falseacionismo

Origem da Bionformáticaindução – SURGEM OS MÉTODOS dedução – USO DOS MÉTODOS

Cuidados que deveremos ter ao introduzir a Bionformática em nossa pesquisaalgumas vezes a deducao = POSITIVAalgumas vezes a deducao = NEGATIVAmuitas novas INDUÇÕES podem sugir (?!), logo, novas Deduções (?!)

??!!

Obrigado!!!