infopi 2013 - minicurso - a bioinformática na cura de doenças

Prof. Ricardo Martins Ramos *

A Bioinformática na cura de doenças

* Prof. Dr. Genética e Toxicologia Aplicada ULBRA-RS

Linha de Pesquisa Bioinformática Estrutural

E-mail: [email protected]

Visão Holística

I - Conceitos básicos

Conceitos básicos de biologia molecular e genética.

II - Bioinformática

Introdução à bioinformática e suas ferramentas.

III - Bioinformática Estrutural

Introdução à bioinformática estrutural e métodos.

IV - A Bioinformática na descoberta e no desenvolvimento de fármacos

Conceitos básicos.

V - Parte prática

1. Conceitos básicos

Corpo - 6

Célula - 5

Núcleo - 5


Genoma - 5

É toda a informação hereditária de um organismo que está codificada em seu DNA (ou, em alguns vírus, no RNA), isto inclui tanto os genes como as sequências não-codificadoras.

É uma sequência de DNA completa de um conjunto de cromossomos.


Cromossomos - 4

É uma longa sequência de DNA, que contém vários genes, e outras sequências de nucleotídeos com funções específicas nas células dos seres vivos.


Gene - 3

Um segmento do DNA que codifica para uma proteína, que codifica por sua vez para um traço (tom da pele, cor dos olhos, e outros).


DNA - 2 e 1 Ácido desoxirribonucléico


A molécula de DNA é constituída por uma sequência de nucleotídeos que são formados por: - um açúcar; - um grupo fosfato; - e uma base nitrogenada.


Dogma Central

Replicação: duplicação do material genético - DNA - Divisão celular.

Transcrição: formação do RNA a partir da informação contida no

DNA - Parte da informação genética contida no DNA é transcrita em

uma molécula de RNA.

Tradução: Formação de proteínas a partir da informação contida no

RNA - ribossomos.

2. Bioinformática

Definições

“A bioinformática é uma nova disciplina científica com raízes nas ciência da computação, na estatística e na biologia molecular.” “A bioinformática desenvolveu-se para enfrentar os resultados das iniciativas de seqüenciamento de genes, que produzem uma quantidade cada vez maior de dados sobre proteínas, DNA e RNA.”

2. Bioinformática

Definições

“Os biólogos moleculares passaram a utilizar métodos estatísticos capazes de analisar grandes quantidades de dados biológicos, a predizer funções dos genes e a demonstrar relações entre genes e proteínas.”

2. Bioinformática

Definições

Segundo Luscombe, Greenbaum e Gerstein, “bioinformática” é o ato de “conceitualizar” a biologia, na sua vertente molecular, e de lhe aplicar “técnicas informáticas” (derivadas de disciplinas como matemática aplicada, ciência da computação e estatística), de forma a entender e organizar a informação associada com tais moléculas, em larga escala.

2. Bioinformática

Definições

A bioinformática (ou biocomputação) combina conhecimentos de química, física, biologia, engenharia genética e ciência da computação para processar dados biológicos.

A Biologia Computacional visa à investigação de hipóteses-dirigidas para problemas biológicos específicos, usando ferramentas computacionais, a partir de dados experimentais e simulados.

2. Bioinformática

De acordo com um artigo publicado no MIT's Technology Review, atualmente essa área da ciência ainda está na primeira infância. A biocomputação está mais ou menos onde estavam os pioneiros da computação em 1920.

Hoje, a afirmação de Harold Morowitz que diz que "A Computação está para a Biologia da mesma forma que a Matemática está para a Física" é mais do que

comprovada.

2. Bioinformática

Genômica - é um ramo da bioquímica que estuda o genoma completo de um organismo. Essa ciência pode se dedicar a determinar a seqüência completa do DNA de organismos ou apenas o mapeamento de uma escala genética menor. Projeto Genoma Humano

Proteômica - o proteoma, em analogia ao genoma, é o conjunto de proteínas de um organismo.

2.1 Ferramentas para a Bioinformática

Pesquisa biológica na Web

- NCBI (Centro Nacional de Informações de Biotecnologia) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/

- PubMed Central (artigos científicos gratuitos)

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/












Banco de dados biológicos públicos

1979 - GSDB (Gene Sequence Database) – primeiro banco de dados de seqüência de DNA - Los Alamos USA.

1995 - Crescimento do GenBank = Projeto Genoma Humano + Avanço na tecnologia de sequenciamento

GenBank = EMBL + DDBJ + NIH (cooperação) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/genbankstats.html

EMBL - Laboratório de Biologia Molecular Europeu

DDBJ - Banco de Dados de DNA do Japão

NIH - Instituto Nacional de Saúde USA

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/

























Alinhamento de sequências

O problema de encontrar alinhamentos entre

sequências ocupa uma posição de destaque em

Bioinformática. Alinhamentos são usados para:

- comparações de sequências, para construção de

árvores evolutivas (“árvores filogenéticas”);

- e para predicão de estrutura secundária de

moléculas de RNA e de proteínas


Alinhamento de sequências (par-a-par)

O volume de dados contidos nos repositórios públicos é

enorme e continua crescendo. É imprescindível, portanto,

que haja alguma ferramenta que facilite o processo de

comparação de uma nova seqüência com as seqüências já

conhecidas. Dentre as ferramentas existentes destaca-se o

BLAST (Basic Local Alignment Tool), que é a ferramenta mais

popular de comparação de seqüências de DNA com os bancos de dados

genômicos.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast/Blast.cgi





Alinhamento múltiplo

ClustalW2 -

http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2/index.html














2.2 Aplicações da Bioinformática

As recentes aplicações da bioinformática atingem hoje todas as áreas do conhecimento relacionadas com a vida e vão desde a: - medicina (diagnóstico e tratamento); - farmácia (desenvolvimento de novos fármacos); - biotecnologia (controle de qualidade e desenvolvimento e aplicação de novos produtos); - agricultura (aumento da produtividade e melhoria dos alimentos).

3. Bioinformática Estrutural

Definições

“A bioinformática estrutural é formada pela intersecção de

três grandes áreas: bioinformática, modelagem molecular e

biologia molecular estrutural.”

Embora métodos tradicionais de anotação funcional

trabalhem somente com as seqüências protéicas, sabe-se que

é a estrutura tridimensional de uma proteína, não

simplesmente a sua seqüência, que determina a sua atividade.


A estrutura 3D de uma proteína pode ser obtida por

métodos experimentais (e.g. cristalografia de raios-X

e ressonância magnética nuclear - RMN).


Banco de dados biológicos públicos

O Protein Data Bank (PDB), San Diego USA, armazena as estruturas moleculares de proteínas. http://www.pdb.org/pdb/home/home.do

http://www.pdb.org/pdb/home/home.do










Para se obter a estrutura 3D de uma proteína por métodos

experimentais é necessário que, além do emprego de um método

adequado de determinação estrutural, a macromolécula tenha sido

previamente isolada, identificada e seqüenciada.

Como conseqüência, os requisitos necessários para que a estrutura de

uma proteína seja determinada experimentalmente implicam um

elevado custo econômico e de tempo.

Ainda, em alguns casos, a obtenção da estrutura 3D de uma proteína é

inacessível a partir das metodologias conhecidas.


Modelagem por homologia

Métodos de modelagem por homologia permitem

construir modelos 3D de proteínas cujas estruturas

não foram resolvidas experimentalmente.

http://www.salilab.org/modeller/








4. A Bioinformática na descoberta e no desenvolvimento de fármacos

Para desenvolver um fármaco contra uma

determinada doença, é necessário selecionar uma

proteína associada à doença, de forma que ele seja

terapeuticamente interessante para afetar sua função

ou expressão.


A farmacologia sempre teve um forte componente

estrutural, isso devido à estrutura tridimensional de

fármacos ser crítica para o entendimento de

mecanismos de ação e para o projeto de

desenvolvimento de fármacos. http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/

http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/












O conhecimento de genomas virais e procarióticos

auxilia na identificação de alvos para fármacos contra

doenças infecciosas.

Genômica e proteômica diferenciais, as comparações

entre humanos ou animais sadios e doentes, podem

indicar que proteína em particular está faltando, não

está funcional, está mal regulada ou expressa somente

nas células afetadas.


Um problema central no desenvolvimento de

fármacos é a identificação de um composto que se

ligará forte e especificamente à proteína alvo.


Docagem molecular (docking)

É a predição da ligação do ligante a uma proteína. Os

objetivos da docagem molecular são:

- identificar o sítio de ligação na proteína e

determinar a posição e orientação do ligante;

- estimar a afinidade de ligação.

http://autodock.scripps.edu/









Triagem virtual (virtual screening)

Objetiva utilizar ferramentas computacionais para

estimar a priori, de um banco de dados inteiro de

compostos (ligantes) já existentes, aqueles que são

mais suscetíveis de ter alguma afinidade com uma

proteína (o alvo).


Simulações de Dinâmica Molecular

Existem ferramentas que permitem simular a

dinâmica de proteínas, livres ou complexadas a um

ligante (fármaco).

http://www.gromacs.org

http://www.gromacs.org/







Prática

Prática

1 - Fazer uma busca sobre protease do HIV no NCBI.

2 - Pegar o resultado 07.

3 - Copiar a seqüência de nucleotídeos.

4 - Ir para o BLAST e colar a seqüência.

5 - Copia a sequência de aminoáciodos da proteína

Prática (cont)

6 - Ir para o PDB e buscar as seqüências de estruturas de proteínas.

7 - Baixar o arquivo .pdb para o notebook.

8 - Visualizar a estrutura com o Swiss PDBViewer.

9 - Ir para o PDB e buscar a estrutura 1W5X.

10 - Fazer um fit entre as estruturas no PDB.

Livros

Desenvolvendo Bioinformática Cynthia Gybas & Per Jambeck, Ed. Campus Introdução à Bioinformática Arthur M. Lesk

Obrigado!

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