O documento discute como a bioinformática pode ser usada para curar doenças, abordando conceitos básicos de biologia molecular, ferramentas de bioinformática como BLAST e bancos de dados como o PDB, e como a bioinformática pode auxiliar no desenvolvimento de fármacos, por exemplo identificando alvos terapêuticos e simulando a interação proteína-fármaco.

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. 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. 1. Conceitos básicos
Corpo - 6
Célula - 5
Núcleo - 5

4. 1. Conceitos básicos

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. 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. 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. 1. Conceitos básicos
DNA - 2 e 1
Ácido desoxirribonucléico

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. 1. Conceitos básicos

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. 1. Conceitos básicos

13. 1. Conceitos básicos

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 2.1 Ferramentas para a Bioinformática
Alinhamento múltiplo
ClustalW2 -
http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2/index.html

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 4. A Bioinformática na descoberta e no
desenvolvimento de fármacos

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. 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. 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. 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. 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. Prática

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

43. Obrigado!