Prof. Ricardo Martins Ramos *
A Bioinformática na cura de
doenças
* Prof. Dr. Genética e Toxicologia Aplicada ULBRA-RS
Lin...
Visão Holística
I - Conceitos básicos
Conceitos básicos de biologia molecular e genética.
II - Bioinformática
Introdução à...
1. Conceitos básicos
Corpo - 6
Célula - 5
Núcleo - 5
1. Conceitos básicos
1. Conceitos básicos
Genoma - 5
É toda a informação
hereditária de um organismo
que está codificada em seu
DNA (ou, em alg...
1. Conceitos básicos
Cromossomos - 4
É uma longa sequência de
DNA, que contém vários
genes, e outras sequências de
nucleot...
1. Conceitos básicos
Gene - 3
Um segmento do DNA
que codifica para uma
proteína, que codifica
por sua vez para um
traço (t...
1. Conceitos básicos
DNA - 2 e 1
Ácido desoxirribonucléico
1. Conceitos básicos
A molécula de DNA é constituída por
uma sequência de nucleotídeos que são
formados por:
- um açúcar;
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1. Conceitos básicos
1. Conceitos básicos
Dogma Central
Replicação: duplicação do material genético - DNA - Divisão celular.
Transcrição: forma...
1. Conceitos básicos
1. Conceitos básicos
2. Bioinformática
Definições
“A bioinformática é uma nova disciplina científica
com raízes nas ciência da computação, na e...
2. Bioinformática
Definições
“Os biólogos moleculares passaram a utilizar
métodos estatísticos capazes de analisar grandes...
2. Bioinformática
Definições
Segundo Luscombe, Greenbaum e Gerstein,
“bioinformática” é o ato de “conceitualizar” a
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2. Bioinformática
Definições
A bioinformática (ou biocomputação) combina
conhecimentos de química, física, biologia,
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2. Bioinformática
De acordo com um artigo publicado no MIT's
Technology Review, atualmente essa área da ciência ainda
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2. Bioinformática
Genômica - é um ramo da bioquímica que estuda o
genoma completo de um organismo. Essa ciência
pode se de...
2.1 Ferramentas para a Bioinformática
Pesquisa biológica na Web
- NCBI (Centro Nacional de Informações de
Biotecnologia) h...
2.1 Ferramentas para a Bioinformática
Banco de dados biológicos públicos
1979 - GSDB (Gene Sequence Database) – primeiro
b...
2.1 Ferramentas para a Bioinformática
Alinhamento de sequências
O problema de encontrar alinhamentos entre
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2.1 Ferramentas para a Bioinformática
Alinhamento de sequências (par-a-par)
O volume de dados contidos nos repositórios pú...
2.1 Ferramentas para a Bioinformática
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 rela...
3. Bioinformática Estrutural
Definições
“A bioinformática estrutural é formada pela intersecção de
três grandes áreas: bio...
3. Bioinformática Estrutural
A estrutura 3D de uma proteína pode ser obtida por
métodos experimentais (e.g. cristalografia...
3. Bioinformática Estrutural
Banco de dados biológicos públicos
O Protein Data Bank (PDB), San Diego USA,
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3. Bioinformática Estrutural
Para se obter a estrutura 3D de uma proteína por métodos
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3. Bioinformática Estrutural
Modelagem por homologia
Métodos de modelagem por homologia permitem
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4. A Bioinformática na descoberta e no
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4. A Bioinformática na descoberta e no
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4. A Bioinformática na descoberta e no
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4. A Bioinformática na descoberta e no
desenvolvimento de fármacos
Docagem molecular (docking)
É a predição da ligação do ...
4. A Bioinformática na descoberta e no
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Triagem virtual (virtual screening)
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4. A Bioinformática na descoberta e no
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Simulações de Dinâmica Molecular
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Prática
Prática
1 - Fazer uma busca sobre protease do HIV no
NCBI.
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3 - Copiar a seqüência de nucleotídeo...
Prática (cont)
6 - Ir para o PDB e buscar as seqüências de
estruturas de proteínas.
7 - Baixar o arquivo .pdb para o noteb...
Livros
Desenvolvendo Bioinformática
Cynthia Gybas & Per Jambeck, Ed. Campus
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InfoPI 2013 - Minicurso - A Bioinformática na Cura de Doenças

  1. 1. 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: ricardo@ifpi.edu.br
  2. 2. 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
  3. 3. 1. Conceitos básicos Corpo - 6 Célula - 5 Núcleo - 5
  4. 4. 1. Conceitos básicos
  5. 5. 1. Conceitos básicos 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.
  6. 6. 1. Conceitos básicos 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.
  7. 7. 1. Conceitos básicos 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).
  8. 8. 1. Conceitos básicos DNA - 2 e 1 Ácido desoxirribonucléico
  9. 9. 1. Conceitos básicos A molécula de DNA é constituída por uma sequência de nucleotídeos que são formados por: - um açúcar; - um grupo fosfato; - e uma base nitrogenada.
  10. 10. 1. Conceitos básicos
  11. 11. 1. Conceitos básicos 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.
  12. 12. 1. Conceitos básicos
  13. 13. 1. Conceitos básicos
  14. 14. 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.”
  15. 15. 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.”
  16. 16. 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.
  17. 17. 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.
  18. 18. 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.
  19. 19. 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.
  20. 20. 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)
  21. 21. 2.1 Ferramentas para a Bioinformática 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
  22. 22. 2.1 Ferramentas para a Bioinformática 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
  23. 23. 2.1 Ferramentas para a Bioinformática 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
  24. 24. 2.1 Ferramentas para a Bioinformática Alinhamento múltiplo ClustalW2 - http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2/index.html
  25. 25. 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).
  26. 26. 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.
  27. 27. 3. Bioinformática Estrutural A estrutura 3D de uma proteína pode ser obtida por métodos experimentais (e.g. cristalografia de raios-X e ressonância magnética nuclear - RMN).
  28. 28. 3. Bioinformática Estrutural 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
  29. 29. 3. Bioinformática Estrutural 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.
  30. 30. 3. Bioinformática Estrutural 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/
  31. 31. 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.
  32. 32. 4. A Bioinformática na descoberta e no desenvolvimento de fármacos 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/
  33. 33. 4. A Bioinformática na descoberta e no desenvolvimento de fármacos
  34. 34. 4. A Bioinformática na descoberta e no desenvolvimento de fármacos 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.
  35. 35. 4. A Bioinformática na descoberta e no desenvolvimento de fármacos Um problema central no desenvolvimento de fármacos é a identificação de um composto que se ligará forte e especificamente à proteína alvo.
  36. 36. 4. A Bioinformática na descoberta e no desenvolvimento de fármacos 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/
  37. 37. 4. A Bioinformática na descoberta e no desenvolvimento de fármacos 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).
  38. 38. 4. A Bioinformática na descoberta e no desenvolvimento de fármacos Simulações de Dinâmica Molecular Existem ferramentas que permitem simular a dinâmica de proteínas, livres ou complexadas a um ligante (fármaco). http://www.gromacs.org
  39. 39. Prática
  40. 40. 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
  41. 41. 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.
  42. 42. Livros Desenvolvendo Bioinformática Cynthia Gybas & Per Jambeck, Ed. Campus Introdução à Bioinformática Arthur M. Lesk
  43. 43. Obrigado!

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