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Biologia de Sistemas
Lucas Pedersen Parizzi
26 de junho de 2007
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2
Biologia Molecular Anos 50 Descoberta a Estrutura do DNA Anos 60 Decifrado o código genético Anos 70 Tecnologia de DNA
recombinante Anos 80 Tecnologia de seqüenciamento
de DNA e Método PCR Anos 90 Genomas completos
Chips de DNA 2000 Genoma humano
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3
“Omics”
Genômica
Proteômica
Metabolômica
.. e técnicas experimentais de alto rendimento e precisão
SANGER PirosseqüenciamentoMicroarraysqRT-PCRSAGEY2HSGel 2DEspectrometria de massas
Biologia Molecular e técnicas experimentais
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4
Bancos de Dados e Bioinfo
Biologia Molecular e técnicas experimentais
Fonte: http://www3.ebi.ac.uk/Services/DBStats/
Bioinformática: Mineração de dados, análises automatizadas, reconhecimento de padrões
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5
Bancos de Dados e Bioinfo
Biologia Molecular e técnicas experimentais
Fonte: http://www3.ebi.ac.uk/Services/DBStats/
Bioinformática
International Conference on Systems Biology (ICSB2000)
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6
Catálogo de partesGraus diversos de detalhamento - Anotação
Biologia Molecular e técnicas experimentais
Bioinformática
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7
Sistemas Dinâmicos Dinâmico: evolui com o tempo Complexo: todo ≠ soma das partes Física, Ecologia, Metereologia, Biologia, Economia
Biologia: Sistemas Dinâmicos Complexos não lineares
Biologia Molecular e técnicas experimentais
Bioinformática
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8
Sistemas Dinâmicos Lei da evolução: iterações, equações diferenciais, equações
derivadas parciais, transformações ou fluxos estocásticos.
Cálculo Geometria Álgebra Topologia Probabilidade.
Biologia Molecular e técnicas experimentais
Bioinformática
Sistemas Dinâmicos
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9
Cálculos e simulação Representação legível para humanos e máquinas
Biologia Molecular e técnicas experimentais
Bioinformática
Sistemas Dinâmicos Bioinformática e simulação
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10
Biologia de Sistemas
Biologia Molecular e técnicas experimentais
Sistemas Dinâmicos
Systems biology is not necessarily focused on the components themselves, but on the nature of the links that connect them and the functional states of the networks that result from the assembly of all such links.
(Bernhard Ø. Palsson)
Bioinformática e simulação
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11
Biologia de SistemasDo que precisamos?
Anotação 2D
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12
Biologia de Sistemas
Padronização de experimentos Formas de representação
• SBML, CellML, CellDesigner
Integração entre bases de dados• SRS, BioWarehouse ...
Integração entre ferramentas• SBW
Do que precisamos?
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13
Biologia de SistemasDo que precisamos?
BD 1 BD 2 BD 3 BD 4
Mediador
WEB
Ferramenta A(Análise A)
Consultas
SBWSBML
Ferramenta B(Análise B)
SBML
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Biologia de Sistemas
Identificação da estrutura do sistema
Análise do comportamento do sistema
Controle do sistema
Desenho de sistema
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15
Biologia de Sistemas
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16
Identificação da estrutura
Anotação automática (Grande quantidade de dados)
TrEMBL• Classificação automática
InterPro (PROSITE, PRINTS, Pfam, ProDom)CluSTrHSSPTMHMMSignalP
• Caracterização automáticaTermos GO (processo biológico, componente
celular, função molecular)
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Identificação da estrutura
Anotação automática (Grande quantidade de dados)
TrEMBL• Aplicação de regras
Agrupamento anotação em comum aplicação das regras
• Anotação manual SWISS-PROT
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18
Identificação da estrutura
Anotação automática (Grande quantidade de dados)
AutoFACT
• UniRef 90 e 100• KEGG• nr• COG• Pfam• Smart
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Identificação da estrutura
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20
Identificação da estrutura
Localização• BRENDA• PubMed• SignalP• TargetP• PSORT• TMHMM• SubLoc
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21
Identificação da estrutura
Mais informações (Genes, Proteínas, Interações DNA-Proteína, Proteína-Proteína, Vias Metabólicas, Sinalização)
KEGG Genbank SWISS-PROT / TrEMBL
PROSITE PDB SWISS-2DPAGE
BOND (BIND) MIPS (BLOCKS, FunCat, SCOP )
TRANSFAC MetaCyc Reactome PUMA2
AfCS STKE TRANSPATH BRENDA
PubMed
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22
Identificação da estrutura
Catálogo pronto• Anotação sistêmica
Reconstrução das redes bioquímicas• Metabolismo• Regulação• Sinalização
• Redes bioquímicas são compostas por reações químicas e podem, portanto, ser representadas por matrizes estequiométricas
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23
Identificação da estrutura
![Page 24: Biologia de Sistemas Lucas Pedersen Parizzi 26 de junho de 2007](https://reader031.vdocuments.com.br/reader031/viewer/2022020506/5706386f1a28abb823906d7c/html5/thumbnails/24.jpg)
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Metabolismo
Níveis de resolução:célula, setor, via, reação.
Fontes dos dados:bioquímica, genômica, fisiologia e/ou informações indiretas, modelagem in silico
Classificação de enzimas e reações: Número EC
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Metabolismo Automação:
Anotação (EC, GO e produto) Pathway Tools Vias de referência Mapa metabólico
Processo de cura: verificação manualMetaCyc, KEGG, PUMA2, BRENDA, PubMed ...
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Metabolismo
Dados de expressão sobre mapa metabólico
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Regulação
Redes ainda incompletas, mesmo em organismos modelo
Muitos detalhes desconhecidos: Geralmente descritas com relação causal
Promotores e fatores de transcrição
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28
Regulação
![Page 29: Biologia de Sistemas Lucas Pedersen Parizzi 26 de junho de 2007](https://reader031.vdocuments.com.br/reader031/viewer/2022020506/5706386f1a28abb823906d7c/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Regulação
Representação booleana da rede regulatória de E. coli
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30
Sinalização
Não há visão hierarquizada clara
Nível de detalhamento: todos os componentes envolvidos X início - fim
Problema combinatório
Famílias de processos de sinalização
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31
SinalizaçãoVias de sinalização intracelular
![Page 32: Biologia de Sistemas Lucas Pedersen Parizzi 26 de junho de 2007](https://reader031.vdocuments.com.br/reader031/viewer/2022020506/5706386f1a28abb823906d7c/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Sinalização
![Page 33: Biologia de Sistemas Lucas Pedersen Parizzi 26 de junho de 2007](https://reader031.vdocuments.com.br/reader031/viewer/2022020506/5706386f1a28abb823906d7c/html5/thumbnails/33.jpg)
33
Sinalização
![Page 34: Biologia de Sistemas Lucas Pedersen Parizzi 26 de junho de 2007](https://reader031.vdocuments.com.br/reader031/viewer/2022020506/5706386f1a28abb823906d7c/html5/thumbnails/34.jpg)
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Análise do comportamento
Diagramas Prontos
Modelagem• Toda a rede ou
apenas uma seção
Simulação
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35
Análise do comportamento
Representação das interações em notação matemática
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Fluxos internosFluxos de troca
Fluxos internos Fluxos de troca
Análise do comportamento
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Análise do comportamento
Considerações para construir as matrizes:
Estequiometria: para uma reação, invariante entre organismos e não muda com pressão, temperatura ou outras condições. Principal propriedade topológica de uma rede de reações bioquímicas
Taxas Relativas: governadas pela termodinâmica, dependente das condições do meio.
Taxas Absolutas: altamente manipuláveis.
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38
Análise do comportamento
Robustês em sistemas biológicos: Mudanças no ambiente (nutrição, temperatura, substâncias
químicas) Falhas internas (danos no DNA, mal funcionamento em vias)
Controle do sistema• Feedforward, feedback positivo e negativo
Redundância • Genes duplicados ou com funções semelhantes• Vias alternativas
Modularidade• Evolução e contenção de danos
Estabilidade estrutural • Resistência a variações de parâmetros
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39
Análise do comportamento
Análise de balanço de fluxo
Vias independentes
Análise de bifurcação
![Page 40: Biologia de Sistemas Lucas Pedersen Parizzi 26 de junho de 2007](https://reader031.vdocuments.com.br/reader031/viewer/2022020506/5706386f1a28abb823906d7c/html5/thumbnails/40.jpg)
40
Análise do comportamento
Testar modelo
![Page 41: Biologia de Sistemas Lucas Pedersen Parizzi 26 de junho de 2007](https://reader031.vdocuments.com.br/reader031/viewer/2022020506/5706386f1a28abb823906d7c/html5/thumbnails/41.jpg)
41
Análise do comportamento
Testar modelo
• Aplicar perturbações
![Page 42: Biologia de Sistemas Lucas Pedersen Parizzi 26 de junho de 2007](https://reader031.vdocuments.com.br/reader031/viewer/2022020506/5706386f1a28abb823906d7c/html5/thumbnails/42.jpg)
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Controle e Desenho
Estratégias para modificar e construir sistemas biológicos para ter propriedades desejadas podem ser obtidas através de simulação in silico, evitando o método de tentativa e erro.
Mecanismos que sistematicamente controlam o estado da célula podem ser modulados para minimizar mal funcionamentos e prover alvos para tratamento de doenças.
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Controle e Desenho
Eliminar ou modificar vias, parando o desenvolvimento de bactérias e outros patógenos
Manipular a produção de substâncias de interesse
Introduzir vias inexistentes em organismos escolhidos