O conceito de informação em biomol

Prof. Dr. Francisco Prosdocimi

Os gregos

• Caos X Cosmos– Cosmos = informação

• Ordem no universo pode ser descrita e estudada– A origem das ciências

– O sol nasce todos os dias

• Gregos eram teóricos

Informação

• O universo possui regras

• A ciência consiste na descoberta e descrição dessas regras

• Isaac Newton (1687)– Gravidade, aceleração, distância,

tempo

• O universo era finalmente explicado

• Mas... E a biologia?

A hereditariedade

• Cadelas dão a luz a cachorrinhos

• Filhos se parecem com os pais– Por que?

– Como isso acontece?

• O estudo da genética (a partir de 1900)

2000 anos de hereditariedade

• Dos gregos ao século XVIII– Preformacionistas X Epigeneticistas– Naturalistas: filhos têm características de ambos os pais

• 1839; Schwann and Schleiden– Célula como unidade básica da vida– Fertilização

• Fim do século XIX– Conhecimento sobre a

divisão celular– Herança por mistura

Lamarck e Darwin

• Uma teoria evolutiva bem fundamentada precisa conter uma teoria da hereditariedade– Em que tipo de informação consiste a hereditariedade?– Como ela é transmitida?

• Philosophie zoologique (1809)– Herança dos caracteres adquiridos– Informação biológica adquirida é herdada (hardwired)

• A origem das espécies (1859)– Darwin era lamarckista?

• August Weismann (1888)– Teoria do germoplasma

e Weismann

Mendel

• A Hereditariedade particulada (gene)– Refutou a herança por mistura

• Publicou “Experimentos sobre a hibridi-zação de plantas” em 1865 e

– foi citado apenas 3 vezes nos 35 anos que se seguiram!

• Início do Século XXBateson, De Vries e Correns

Gregor Mendel (1822-1884)

O que é a vida?

• Fim do século XIX– A morte do vitalismo

• Schrodinger, 1944: What’s life?– Pag. 1: "how can the events in space and time

which take place within the spatial boundary of a living organism [cell] be accounted for by physics and chemistry?”

• O gene como uma molécula!– Cristal aperiódico (carregador de informação)– Watson diz achar a idéia maravilhosa

Erwin Schrodinger (1887-1961)

Estrutura cristalina

• Conjunto de átomos arranjados de uma forma particular– Apresenta ordem e simetria

• A ordem é repetida tridimensionalmente, formando um arranjo químico ordenado e repetitivo

• Schrodinger: DNA como cristal aperiódico– Deve carregar informação

Analógico X Digital

Informação digital é medida em bits

Mudança de base numérica

• Números podem ser representados em quaisquer base numérica

• O sistema decimal

Sistema binário

Mudança para a base 5

O DNA como um código digital

• A, C, G e T– Pode ser representado como número em base 4

• 0, 1, 2 e 3– Representação binária do DNA: 00, 01, 10, 11

• 1 byte são 8 bits– Armazena 4 bases consecutivas– 3,100,000,000 bases (genoma humano) =

775,000,000 bytes = 775 Megabytes

• Windows XP = 1,5Gb

• Código digital de quatro algarismos– Guarda a informação sobre como fazer outro

indivíduo daquela espécie• Como um código digital pode estar codificado

quimicamente?

Watson & Crick

• 1952: primeiro encontro de Watson e Crick– “Desde o dia de nosso primeiro encontro,

Crick e eu pensamos que seria altamente provável que a informação genética do DNA fosse codificada pela seqüência de quatrobases”

• Construção de um modelo molecular que permitisse:– Estabilidade estrutural– Mecanismo de cópia– Armazenamento de informação

• A biologia finalmente tinha um modelo digital para a transferência da informação hereditária

• Agora seria possível estudar a biologia de maneira precisa, matemática, estatísticas– Era possível aplicar o rigor das ciências exatas ao

mundo natural

O modelo do DNA

> Meu geneGGCTGCGGAGGACCGACCGTCCCCACGCCTGCCGCCCCGCGACCCCGACCGCCAGCATGGCTCCTGGCCTATTACTTCACGGAGCTGAAGGATGACCAGGTCAAAAAGATTGACAAGTATGCGGCTCTCCGATGAAACTCTCATAGATATCATGACTCGCTTCAGGAAGGAGATGAACCCGGGATTTTAATCCAACAGCCACAGTCAAGATGTTGCCAACATTCGTAAGGTCCATTTGAAAAGGGAGATTTCATTGCCCTGGATCTTGGTGGGTCTTCCTTTCGAATTCTGCGGG

Qual fita representamosna bioinformática?

O leitor da Informação

• Trouxe a informação de facto para o centro da discussão– Propôs formas de ler e apresentar a informação biológica

• Publica, em 1952, a primeira estrutura primária de uma proteína (insulina)– Prova que as proteínas poderiam ser descritas como

cadeias de aminoácidos

– 1958: ganha o Nobel em química

• 1975: inventa o método dideóxi para o sequenciamento do DNA

• 1977: sequencia, pela primeira vez, o genoma inteiro de um organismo, o bacteriófago phi X 174– 11 genes in 5386 bases

sequenciadas “à mão“

– Ganha o segundo Nobel de química em 1980

Frederick Sanger13 August 1918

A hereditariedade compreendida

• O código molecular da hereditariedade está escrito em letras químicas– 4 letras: A, C, G e T

– (da mesma forma que o código do português está escrito em 23 letras + espaço)

– (e o código do computador, em duas letras – 0 e 1)

O DNA como a receita da vida

• Repositório inalterável da informação evolutiva hereditária

• Quando faz-se um bolo, mexe-se na receita?

A biologia molecular enquanto cibernética

Cibernética• Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.

• Cibernética é uma tentativa de compreender a comunicação e o controle de máquinas, seres vivos e grupos sociais através de analogias com as máquinas cibernéticas (homeostatos, servomecanismos, etc.).

• A Cibernética estuda o tratamento da informação no interior de processos cibernéticos como codificação e descodificação, retroação ou realimentação (feedback), aprendizagem, etc.

• Segundo Wiener (1968), do ponto de vista da transmissão da informação, a distinção entre máquinas e seres vivos, humanos ou não, é mera questão de semântica.

• Cyborg = cybernetic organism

O gene egoísta, 1976

• Richard Dawkins• Organismos biológicos como máquinas

de sobrevivência para os genes– Apenas os melhores genes, capazes de

construir uma máquina de sobrevivência para propagar sua informação de forma eficiente, ganharão a corrida evolutiva

• A origem da vida através da molécula replicadora

• Alto conteúdo empírico: explica o instinto sexual, cuidado parental, nepotismo, diferenças comportamentais entre machos e fêmeas (teoria do investimento parental),

• Baseados na concepção do gene como unidade de informação que quer se manter “viva” ao longo das eras

Conclusão

• A compreensão do código informacional para a hereditariedade foi um processo lento de conhecimento sobre as regularidades que regem o processo

• O DNA contém as informações sobre a hereditariedade– Essas informações estão impressas em um código digital

• A sequência de bases químicas em um genoma (DNA) não é disposta ao acaso e guarda a informação sobre como fazer um determinado indivíduo daquela espécie

• Toda a vida consiste na reprodução de moléculas replicantes com conteúdos informacionais