Bioinformática e Biotecnologia

"Biotecnologia define-se pelo uso de conhecimentos sobre os processos biológicos e sobre as propriedades dos seres vivos, com o fim de resolver problemas e criar produtos de utilidade."

Conceitos básicos

Bioinformática pode ser entendida como uma especialização da Informática aplicada ao estudo de

técnicas computacionais e matemáticas na geração e gerenciamento de informações biológicas

Conceitos básicos

Segundo o NCBI (National Center for Biotechnology

Information),

• Bioinformática é o campo da ciência no qual a biologia, a ciência da computação e a tecnologia da informação se misturam para formar uma única disciplina.

O objetivo final deste campo é permitir a descoberta de novos conceitos biológicos bem como a criação de uma perspectiva

global que permita o discernimento de princípios biológicos gerais.

Aplicações da Bioinformática

Há três importantes sub-disciplinas dentro da Bioinformática:

• desenvolvimento de novos algoritmos e análises estatísticas – inferir relações entre membros de grandes conjuntos de dados;

• a análise e interpretação de dados, – seqüências de nucleotídeos e aminoácidos, domínios em proteínas, e

estruturas protéicas;

• o desenvolvimento e implementação de ferramentas – que permitam acessar e manipular de forma eficiente diferentes tipos

de informação.

O acumulo de informação

Acumulo de informações e surgimento da Biotecnologia

Gregor Johann Mendel (1822 —1884).

Bioinformática e Biotecnologia:Ciências convergentes

Charles Robert Darwin (1809 —1882)

Herman Hollerith (1860-1929)

Ciências convergentes

1953

1946

O ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Computer)

James D Watson and Francis Crick 

ENIAC30 toneladas160 m2

5.000 cálculos/segundo200 k memória

Marco dos problemas biológicos Primeiros passos da bioinformática

Insulina

1° proteína a ser cristalizada (Abel, 1926),

1° proteína a ser sequenciada (Sanger et al, 1955 ),

1° proteína a ser sintetizada por técnicas químicas ( Du et al;Zahn;Katsoyanis; 1964),

Década de 60

Degradação de Edman (Químico sueco Pehr Edman)

Primeiros passos da bioinformática

“Atlas of Protein Sequences”

1965 Margaret Dayhoff's

Primeira bionformata

• B. Weiss and C.C. Richardson isolaram a DNA ligase (1966), • H.O. Smith, K.W. Wilcox, e T.J. Kelley isolaram a primeira

endonuclease de restrição específica (1968).

Primeiros passos da moderna biotecnologia

BglII

Primeiros passos da bioinformática

Apple Microsoft

1970 – Algoritmo de Needleman-Wunsch – comparação entreSeqüências,1977- Desenvolvimento de programas para a análise de sequências de DNA-(R. Staden)

Década de 70

Jackson, D.A., Symons, R.H. & Berg, P. Biochemical method for inserting new genetic information into DNA of simian virus 40: Circular SV40 DNA molecules containing lambda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli.Proc Nat Acad

Sci USA69, 2904-2909 (October 1972).

Em 1980, Paul Berg dividiu o Prêmio Nobel de Química com Walter Gilberte Frederick Sanger, por seus ‘estudos fundamentais sobre a bioquímica de ácidos nucléicos, em particular do DNA recombinante’.

1972- Paul Berg: Primeira molécula recombinante

Primeiros passos da moderna biotecnologia

Surgimento da moderna biotecnologia

1976 – Robert Swanson and Herber Boyer:Primeira empresa de base biotecnológica

1977-Produção da primeira proteína humana (somatostatina) em um hospedeiro microbiano (E.coli);

1978 - Clonagem da insulina humana;

1979 - Clonagem do hormônio de crescimento humano;

1982- Primeira droga recombinante lançada no mercado (insulina humana);

1982- Produção laboratorial do fator de coagulação VIII

O grande salto- O desenvolvimento da tecnologia do

DNA 1980 - Kary Mullis – Reação da polimerase em cadeia.

1987 Mullis and FaloonaSaiki et al. (Science)Primer-Directed Enzymatic Amplification of DNA with a Thermostable DNA Polymerase

1986 -Sequenciador Automático de DNA (Leroy Hood)

1987 -Cientistas da DuPont desenvolvem um sistema de sequenciamento rápido de DNA pelo método de Sanger com fluoróforos marcados.

1987 -Applied Biosystems constrói o primeiro sequenciador automático baseado na tecnologia de Leroy Hood

O desenvolvimento da tecnologia do DNA

Sequenciamento de EST

Adams, M.D., Kelley, J.M., Gocayne, J.D., Dubnick, M., Polymeropoulos, M.H., Xiao, H., Merril, C.R., Wu, A., Olde, B., Moreno, R., Kerlavage, A.R., McCombie, W.R., and Venter, J.C. Complementary DNA sequencing: "expressed sequence tags"and the human genome project. Science252, 1651-1656 (1991).

1991 -J.Craig Venter “Expressed Sequence Tags”

Sequenciamento manual

Sequenciamento automático

Sequenciamento capilar

O desenvolvimento da tecnologia do DNA

E a Bioinformática?

1981 – Desenvolvimento do algoritmo de Smith-Waterman;

1982 – Publicação do Release 3 do GenBank;

1983 – Algoritmo de busca de seqüências em bancos de dados – Wilbur Lipman;

1985 – Comparação rápida de seqüências – FASTAP/FASTAN;

1988 – Criação do National Center for Biotechnology Information (NCBI);

1988 – Rede EMBnet para distribuição de bancos de dados;

1990 –Método mais rápido de comparação de seqüências –BLAST;

1993 – Criação do Sanger Center, Hinxton, UK;

1994 – Criação do EMBL European Bioinformatics Institute

Sequenciamento de Genomas

Maia, L.C.

E agora?

"Nucleotide Sequence Database Colaboração Internacional”

Sequenciamento de Genomas

Maia, L.C.

A era Pós-Genômica

Era “Pós-Genômica”

• GENOMA – DNA – 3,4 bilhões de nt

• TRANSCRIPTOMA – mRNA – 30 mil genes

• PROTEOMA – Proteínas – 0,3-1,2 milhão proteínas

Homo sapiens Modificações pós-traducionais?

Interações entre proteínas?

As Ômicas

• TRANSCRIPTÔMICA:-Differential Display (DD) - Serial Analysis of Gene

Expression (SAGE)- DNA Microarray

• PROTEÔMICA:-Eletroforese bidimensional

(2D)-MudPit

-Espectrometria de massa

Outras ômicas: Metabolômica, farmacogenômica, regulômica, peptidômica, degradômica…….

DNA microarrays:

• 1993- STEPHEN P. A. FODOR

Responsável por desenvolver um processo para gerar arranjos (arrays) de alta densidade, miniaturizados, contendo compostos biológicos. Isso levou ao desenvolvimento do primeiro chip de DNA e das técnicas necessárias para ler e analisar os resultados para estudos genômicos em larga escala.

• 1995- Pat Brown and Ron DavisStanford University –Preparação dos arranjos no Laboratório

Eletroforese 2D e Bioinformática

O´Farrel (1975)

Proteoma Comparativo ou Diferencial

condição condição

Sobreposição permite identificar diferenças nos padrões de bandas

Cromatografia líquida multidimensional-MudPit

Descrita pela primeira vez por WASHBURN et al. (2001),

Espectrometria de massa

Sequenciamento de proteínas

• Proteínas são identificadads inserindo a massa dos peptídeos em um banco de dados de peptídeos como o ProFound.

• Parâmetros de busca são refinados incluindo massa e ponto isoelétrico determinados por 2D PAGE.

•http://www.unb.br/cbsp/paginiciais/profound.htm

Sequenciamento de Proteínas: Busca em bancos de dados

Crescimento do UniProt

Aplicações da bioinformáticaAplicações

Análise de estruturas

Análise de sequências

Análise de funções

Predição de estruturas de proteínas

Classificação da estrutura de proteínas

Comparação da estrutura de proteínas

Predição de estruturas de ácidos nucléicos

Comparação de genomas

Busca em bancos de dados Alinhamento de sequências

Predição de genes e promotores

Filogenia

Modelamento de caminhos metabólicos

Expressão de genes

Predição de interação entre proteínas

Predição da localização subcelular de proteínas

Desenvolvimento de software e criação de bancos de dados

O uso da Bioinformática na prospecção de genes de interesse em Biotecnologia

Bioinformática e Biotecnologia

• A compreensão da estrutura, conformação e função de macromoléculas biológicas está diretamente relacionada à nossa capacidade de desenvolver novos:

– Agentes terapêuticos sintéticos;– Agentes terapêuticos “biológicos” (proteínas, carboidratos e etc);– Produtos biotecnológicos;– Organismos transgênicos;– Vacinas;– Etc.

Bioinformática e Biotecnologia

EST

Vias metabólicas

SAGE

Análise in silico

SN

Ps

GENÔMICA e PROTEÔMICA

BIOTECNOLOGIA

Microarranjos

Sequenciamento genômico Eletroforese 2DEspectrometria de massa

Genes e proteínas alvos

Bancos de dados

Funções biológicas dos genes já identificadas em estudos genéticos

Busca de genes candidatos- O que procurar?

Aonde procurar?Bancos de dados

Sequências de DNA Sequências de ProteínasGenomas

EstruturasVias metabólicas Especializados

Padrões de expressão e Proteômica

–Bibliográficos

dBST

Aonde procurar?

Como procurar?

• Análise de Seqüências de DNA– Alinhamento de seqüências– Busca de Genes– Busca de elementos transcricionais– Busca de padrões, repetições e sítios de

restrição

• Análise de Função de Proteínas– Busca de padrões e motivos protéicos– Análises de vias bioquímicas– Anotação de proteínas

• Processamento pós-traducional– Glicosilação

CLUSTALW

BLAST Basic Local Alignment

Search Tool

NetNGlyc 1.0 Server

Como procurar?

• Análise e montagem de seqüências – Phred, PHRAP, Consed,CAP3

• Busca por genes em seqüências (procura pro ORFs) –GENSCAN, GENMARK, ORF Finder

• Modelagem molecular: MODELLER, CONCORD,COMPOSE

• Estudo de estrutura: STING

• Anotação automática: Blast2go, AutoFACT, GARSA

Bioinformática na Busca de alvos

Bioinformática na Busca de alvos Mineração dos dados

Aplicações biotecnológicas-Desenvolvimento de drogas

Aplicações Biotecnológicas -proteínas recombinantes

Collares et al. Animais transgênicos biorreatores.

Aplicações Biotecnológicas - Animais como biorreatores

Tripsina bovina produzida em trigo

Anticorpos produzidos em banana

Aplicações Biotecnológicas - Plantas como biorreatores

– Identificação do gene de

interesse– Identificação da proteína– Expressão recombinante da

proteína – Cristalização da proteína– Submissão do cristal à linha

de raios-X– Obtenção da estrutura 3D

da proteína– Desenho racional de novos

compostos moduladores da proteína-alvo

Paradigma contemporâneo para o desenvolvimento de novos fármacos:

Desenvolvimento de drogas

Drug Design

1. Isolar 1 alvo => ReceptorAnalisar sua estrutura 3D

2. Selecionar um conjunto decandidatos => LigantesTestar interação com receptor

3. Ligantes com melhor resultadosão experimentalmentesintetizados e testados

4. Baseado nos resultados dosexperimentos: Produzir omedicamento ou retornar ao passo 1

Exemplo do processo de drug design.

Modelagem Molecular no desenvolvimento de novos fármacos

Docking Molecular

“Docagem” molecular:

• Predição da geometria e afinidade de um ligante a uma proteína conhecida.

Base da docagem molecular:

Tamanho, forma, distribuição de cargas, polaridade e potencial para interação hidrofóbica e ligações de hidrogênio

Docagem Molecular

Estudo da interação da 2-trans-Enoil-ACP (CoA) Redutase (InhA) de Mycobacterium tuberculosis (MTB) com o complexo inorgânico Isoniazida-

pentacianoferrato (IPF) por Simulação pela Dinâmica Molecular

André Luciano Pasinato da Costa

Relatórios da Organização Mundial da Saúde (OMS).-2004: 9 milhões de novos casos.-2006: taxa de crescimento 0,6% ao ano.

O regime de tratamento inclui diariamente durante dois meses:o Isoniazida (INH)o Rifampicina (RIF)o Pirazinamida (PZA)o Etambutol (EMB).Seguido por mais quatro meses de INH e RIF, totalizando 6 meses de tratamento.

Docagem molecular

IPF

O IPF ocupa preferencialmente os sítios do pirofosfato e nicotinamida dentro da cavidade de ligação do NADH na enzima InhA..

Representação do sítio de ligação da enzima InhA (PDB 1ENY) (Azul), NADH(Branco) e IPF (Vermelho). Figura gerada com SwissPDB Viewer v3.7b2 (Guex & Peitsch, 1997).

InhA, um alvo da droga antituberculose isoniazida, está envolvido em um sistema de alongamento de ácidos graxos, FAS-II de micobactérias

Empresas de Bioinformática e ou Biotecnologia

• Mais de 130 empresas de bioinformática no mundo todo,

• Mais de 200 empresas de biotecnologia nos USA que utilizam bioinformática

• Celera (USA) - Primeiro rascunho do genoma humano juntamente com o HGP

• Scylla e Allelyx – Brasil

Resumo:Bioinformática e Biotecnologia

Fonte: Benton, D. (1996) Trends Biotechnol., 14, 261-272.

Referências

[1] Machine Learning Approaches to Gene RecognitionMark W. Craven and Jude W. Shavlik IEEE – AI in Molecular Biology (1994)[2] Imitation of Life: How Biology is Inspiring ComputingFORBES, Nancy / MIT Press (2004)[3] Slides da disciplina “Tópicos Especiais em Computação VI:Introdução à Bioinformática” do semestre 2005/1 do Insitutode Informática da UFRGSProf. Dra. Ana Lúcia C. Bazzan (2005)[4] EMBOSS: The European Molecular Biology Open Software SuiteRice,P. Longden,I. and Bleasby,A. -Trends in Genetics 16, (6) pp276277[5] Bioinformatic tools for DNA/protein sequence analysis, functionalassignment of genes and protein classificationRehm, B.H.A . -Applied Microbiology Biotechnology 57, pp579-592 (2001)