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Bioinformtica

2 - Introduo

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Bioinformtica / Biologia Computacional

l Novas disciplinas que renem as seguintes reas cientficas: l Biologia (molecular) l Cincia de computao l Estatstica l Tecnologias de Informao

l Computadores e Cincia da informao l Abrange o estudo e utilizao das ferramentas computacionais para

armazenamento, acesso e anlise de dados Em resumo

l A Bioinformtica faz uso das ferramentas computacionais para armazenar, aceder e analizar todo o tipo de dados biolgicos que podem ir do DNA aos ecossistemas

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Marcos na histria da Biologia Molecular e Bioinformtica

1869 - Johann Friedrich Miescher descobriu o DNA e chamou-lhe nuclena

1881 - Edward Zacharias mostrou que os cromossomas eram constitudos por nuclena

1899 - Richard Altmann chamou cido nucleico nuclena

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Cerca de 1900, foram identificadas as estruturas qumicas dos 20 aminocidos

1902 - Emil Hermann Fischer ganha o prmio Nobel: mostrou que as protenas so constitudas por a.a. ligados entre si. Postulou que as propriedades das protenas so definidas pela sua composio em a.a. e pela sequncia desses a.a.

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1911 Thomas Hunt Morgan descobre que os genes se

encontram nos cromossomas e que so as unidades da

hereditariedade

1911 - Pheobus Aaron Theodore Lerene descobre o RNA

1933 - Arne Tiselius foi o primeiro a usar a electroforese para

separar protenas em soluo. Ganhou o prmio Nobel da

Qumica em 1948

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1941 George Beadle e Edward Tatum descobrem que os

genes produzem protenas

1943 Foi construdo o primeiro computador electrnico na

Universidade da Pensilvnia

1950 Edwin Chargaff descobre a complementaridade entre as

bases do DNA

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1950s Mahlon Bush Hoagland isolou tRNA

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Hemoglobina humana, A 1951 Pauling e Corey propuseram as estruturas para a helice e a folha pregueada da estrutura secundria das protenas

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1952 - Martha Chase e Alfred Hershey provaram que o DNA era a molcula responsvel pela transmisso e armazenamento da informao gentica

Em 1969 Hershey ganhou o prmio Nobel da Medicina pela sua descoberta de que um vrus pode causar mutaes e ter mltiplos genes

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1952-1953 - James Watson e Francis Crick deduziram a estrutura da

molcula de DNA recorrendo ao material ode difraco por raios X

obtido Rosalind Franklin

1955 A sequncia da insulina bovina foi a primeira protena a ser analisada por F. Sanger

Rosalind Franklin

1958 - Jack Kilby construiu o primeiro circuito integrado

para a Texas Instruments

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1956 - George Emil Palade mostrou que as protenas so produzidas

em ribossomas

1969 Foi criada a ARPANET para estabelecer ligaes entre os

computadores de Stanford, UCSB, Universidade de Utah e

UCLA

1970 - Howard Temin and David Baltimore isolaram

independentemente a primeira enzima de restrico

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1977 - Phillip Sharp e Richard Roberts demonstraram que o pre-mRNA processado pela remoo dos intres e recolocao dos exes

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1980 Sequenciao completa do primeiro gene de um organismo (FX174). O gene posuui 5 386 bp e codifica para 9 protenas 1980 fundada a IntelliGenetics, Inc na California. O seu principal produto foram os programas IntelliGenetics Suite para a anlise de sequncias de DNA e protenas

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1981 - publicado o algoritmo Smith-Waterman algoritmo para o alinhamento de sequncias.

1981 A IBM introduz no mercado o primeiro computador pessoal. 1983 lanado o Compact Disk (CD). 1985 - publicado o algoritmo FASTP. 1985 - Kary Mullis e colaboradores descrevem

a reaco de PCR.

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1986 - Leroy Hood desenvolveu o mecanismo de sequenciao automtica

1986 anunciada a Human Genome Initiative para sequenciao do

genoma humano 1986 cunhado o termo Genmica por Thomas Roderick para descrever a

rea cientfica que inclui o mapeamento, sequenciao e anlise de genes. 1986 criada a base de dados SWISS-PROT pelo Department of Medical

Biochemistry da University of Geneva e o European Molecular Biology Laboratory (EMBL).

1987 So descritos os YACs (yeast artificial chromosomes) (David T. Burke,

et. al., Science, 236: 806-812).

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Marcos na histria da Biologia Molecular e Bioinformtica 1988 O NCBI (National Center for Biotechnology Information) lanado pelo

National Cancer Institute 1988 O algoritmo FASTA para comparao de sequncias publicado por

Pearson e Lupman. 1988 - Um programa novo - vrus informtico- infectou 6 000 computadores

militares no EEUU 1995 John Craig Venter sequenciou o

primeiro genoma bacteriano 1995 Sequenciao fluorescente automtica e robtica 1996 Primeiro genoma eucariota sequenciado levedura

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1997 Genoma de E. coli sequenciado 1998 - PerkinsElmer, Inc. desenvolveu o sequenciador de 96 capilares 1998 - Genoma de Caenorhabditis elegans completamente sequenciado 1999 - Primeiro cromossomas humano sequenciado (cromossoma 22) 2000 Sequncia completa da poro eucromtica do genoma de Drosophila

melanogaster 2001- 2004 Rascunho do genoma humanto at concluso do Projecto

Sequenciao do genoma do ratinho (mouse) e do rato (rat)

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Tipos de informao l Genoma

l Totalidade do complemento de DNA de um organismo determinado por sequenciao

l Transcriptoma l Totalidade ds mRNAs (transcritos presentes num tipo de clula e numa

determinada condio) representa a totalidade de genes expressos nesse tipo celular. Quantifica-se por microarrays e/ou SAGE (Serial Analysis of Gene Expression)

l Proteoma l Totalidade de protenas presentes num tipo de clula e numa determinada

condio

l Metaboloma l Descrio das protenas metabolicamente activas e de outros metabolitos

presentes na clula

l Metiloma l Totalidade de sequncias que se encontram metiladas

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Disciplinas emergentes l Genmica Estrutural:

l Estudo das estruturas 3D dos produtos da expresso gnica protenas e RNA

l Genmica Funcional: l Pretende estudar o funcionamento dos genomas como um todo:

informao gentica, regulao desta informao e expresso fentipo

l Biologia de Sistemas l Faz uma anlise global e integrada dos processos biolgicos l Tem como objectivo compreender sistemas biolgicos complexos com

usando ferramentas interdiciplinares

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Biologia de sistemas

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Que perguntas podemos responder com a Bioinformtica / Biologia Computacional?

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1 Semelhanas entre sequncias

l Problema: l Possumos uma sequncia de DNA ou protena . Queremos

saber rapidamente a funo dessa sequncia.

l Soluo: l Efectuar pesquisas de semelhana entre sequncias. l software especializado compara a nossa sequncia com grandes

bases de dados onde existem milhes de sequncias l Se na base de dados existe uma sequncia muito semelhnate

nossa (com um grande scoring), ento podemos comear a inferir que a nossa sequncia tem a mesma funo ou uma funo semelhante.

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2 Semelhanas entre sequncias

l Usam-se correntemente alguns softwares de pesquisa:

l BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) - ferramenta mais usada em Bioinformtica

l muito rpido, sensvel e est disponvel para todos. Existe ligado a muitas organizaes o que permite a pesquiza em inmeras bases de dados

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2 Organizao de genomas l Problema:

l Determinar a sequncia completa de uma longa seco de DNA a partir de uma coleco de numerosas sequncias pequenas. Estas sequncias pequenas so o resultado directo da sequenciao e tm em mdia aproximadamente 500 pares de bases (bp)

l Soluo: l A montagem destas sequncias feita com recurso a software

que identifica as sequncias pequenas que se sobrepoem e produz um contig (contiguous assembly)

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1 Organizao de genomas

l Depois de ter todos os fragmentos uni-los na ordem correcta

l O Problema: SCS Problem (Shortest Common Superstring) l Alguns dos fragmentos

sobrepoem-se l Sobrepr todos os fragmento

e encontrar a sequncia menor possvel que inclua todos os fragmentos

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1 Organizao de genomas

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3 Previso da estrutura de uma protena l Problema:

l A nossa protena possui uma determinada sequncia que foi previamente cofirmada atravs da anlise de busca de semelhanas mas queremos saber mais acerca da sua funo atravs da previso da sua estrutura

l As protenas l so as molculas mais importantes do ponto de vista metablico

catalizam reaces l encontram-se envolvidas na regulao da expresso gnica

l Soluo:

l Existem vrios tipos de mtodos que prevem a estrutura a partir da sequncia

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3 Previso da estrutura de uma protena

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Previso de uma macroestrutura

Capsid of Lambda-like Phage HK97

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