Aula ministrada junto à disciplina “Microbiologia Ruminal: Abordagem Molecular” [Tópico: Novas Perspectivas em Estudos de Ecologia Microbiana], do curso de pós-graduação em Ciências (Energia Nuclear), do Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA/USP).

1. Novas Perspectivas em Estudos de Ecologia
Microbiana
Leandro Nascimento Lemos
Doutorando em Biologia na Agricultura e no Ambiente
Supervisor: Profa. Dra. Siu Mui Tsai
Marc¸o/2017
Leandro Nascimento Lemos Novas Perspectivas em Estudos de Ecologia Microbiana

2. Novas perspectivas em estudos de Ecologia Microbiana
Descobrir novos microrganismos n˜ao-cultiv´aveis
(biodiversidade desconhecida).
Leandro Nascimento Lemos Novas Perspectivas em Estudos de Ecologia Microbiana

3. Novas perspectivas em estudos de Ecologia Microbiana
Descobrir novos microrganismos n˜ao-cultiv´aveis
(biodiversidade desconhecida).
Leandro Nascimento Lemos Novas Perspectivas em Estudos de Ecologia Microbiana

4. Novas perspectivas em estudos de Ecologia Microbiana
1 Sequenciamento massivo de DNA.
2 Desenvolvimento de supercomputadores.
3 Desenvolvimento de novas ferramentas computacionais (de
Bioinform´atica).
Leandro Nascimento Lemos Novas Perspectivas em Estudos de Ecologia Microbiana

5. Ciˆencia de Dados (Data Science)
Acesso a informac¸˜ao e como transformar a informac¸˜ao em
conhecimento;
Leandro Nascimento Lemos Novas Perspectivas em Estudos de Ecologia Microbiana

6. Ciˆencia de Dados (Data Science)
Acesso a informac¸˜ao e como transformar a informac¸˜ao em
conhecimento;
https://www.youtube.com/watch?v=OE63BYWdqC4
Leandro Nascimento Lemos Novas Perspectivas em Estudos de Ecologia Microbiana

7. Novas perspectivas em estudos de Ecologia Microbiana
1 Sequenciamento massivo de DNA.
2 Desenvolvimento de supercomputadores.
3 Desenvolvimento de novas ferramentas computacionais (de
Bioinform´atica).
Leandro Nascimento Lemos Novas Perspectivas em Estudos de Ecologia Microbiana

8. 1. Sequenciamento massivo de DNA
Illumina Hiseq: sequenciamento de at´e 2.000 genomas
microbianos em uma ´unica corrida.
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9. 1. Sequenciamento massivo de DNA
Ebola em 2015. 28.599
casos 11.299 mortes na
´Africa Ocidental.
Sequenciamento:
Caracterizar o agente
infeccioso e determinar as
taxas de mutac¸˜oes.
Ganhos: Identificac¸˜ao de
trac¸os adaptativos e
caracterizac¸˜ao de respostas
do v´ırus a vacinas e
tratamentos.
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10. 1. Sequenciamento massivo de DNA
MinIon: Sequenciador port´atil USB.
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11. 1. Sequenciamento massivo de DNA
MinIon: Strand sequencing - DNA passa intacto em um
nanoporo prot´eico, sendo sequenciado em tempo real, assim
que a mol´ecula ultrapassa o poro.
https://www.youtube.com/watch?v=BNz880V52rQ
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12. 1. Sequenciamento massivo de DNA
SmidgION - Mobile analyses
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13. 2. Desenvolvimento de supercomputadores
Velocidade dos avanc¸os na
capacidade de
processamento e
armazenamento de dados.
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14. 2. Desenvolvimento de supercomputadores
Lei de Moore: N´umero de transistores em um chip dobraria
a cada 18 meses, mantendo ou diminuindo o custo de
produc¸˜ao e o espac¸o ocupado pela pec¸a.
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15. 2. Desenvolvimento de supercomputadores
Alta capacidade de
processamento,
armanezamento e mem´oria;
Illumina Hiseq
(18.000.000/reads por
amostra);
128 processadores e 2 TB
de mem´oria ram.
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16. 3. Bioinform´atica
O que ´e: Aplicac¸˜ao da Ciˆencia
de Dados na resoluc¸˜ao de
problemas biol´ogicos;
Desafio: processar uma
avalanche de dados gerados por
sequenciadores de nova gerac¸˜ao;
Solu¸c˜ao: Produzir novas
ferramentas computacionais.
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17. 3. Bioinform´atica
Ferramentas de
Processamento:
Ferramentas de
Visualiza¸c˜ao:
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18. Bioinform´atica: Human Microbiome Project
Explorar as relac¸˜oes entre doenc¸as humanas com alterac¸˜oes na
microbiota;
Desenvolvimento de novas ferramentas de Bioinform´atica
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19. Bioinform´atica: Human Microbiome Project
Desenvolvimento de novas ferramentas de Bioinform´atica
(IMG/M)
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20. Novas perspectivas em estudos de Ecologia Microbiana
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21. Estudos de comunidades microbianas (ou de microbiomas)
T´ecnicas independentes de cultivo de microrganismos;
Microrganismos n˜ao-cultiv´aveis s˜ao a maioria!
Meta’omics: integrac¸˜ao de diferentes tipos de dados.
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22. Reconstruc¸˜ao de genomas em amostras de metagenomas
por Single-cell
Separac¸˜ao de c´elulas de bact´erias n˜ao-cultiv´aveis;
Extrac¸˜ao de DNA e amplificac¸˜ao do genoma total;
Sequenciamento e Bioinform´atica.
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23. Reconstruc¸˜ao de genomas em metagenomas por Single-cell
Separac¸˜ao de 9.600 c´elulas e sequenciamento de 201 genomas
de bact´erias e arqu´eias n˜ao-cultiv´aveis;
Muitos grupos ainda desconhecidos (”microbial dark matter”);
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24. Reconstruc¸˜ao de genomas em metagenomas por Single-cell
C´odon de parada UGA codifica uma glicina;
S´ıntese de purina de arqu´eias presentes em bact´erias (transferˆencia
horizontal de genes);
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25. Reconstruc¸˜ao de genomas em amostras do metagenoma
total
Metagenomas = m´ultiplos genomas presentes em uma
amostra ambiental.
Genomas microbianos s˜ao parecidos (evolu¸c˜ao) == dificulta
o processo de separac¸˜ao (ou montagem);
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26. Reconstruc¸˜ao de genomas - Binning
Soluc¸˜oes: Montagem e Binning
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27. Reconstruc¸˜ao de genomas - Binning
Reconstruc¸˜ao do genoma de uma Firmicutes n˜ao-cultiv´aveis e
com abundˆancia relativamente alta em compostagem.
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28. Nova ´arvore da vida
Pontos vermelhos indicam grupos que ainda n˜ao foram cultivados.
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29. Onde aprender?
Coursera: https://www.coursera.org
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30. Onde aprender?
Coursera: https://www.coursera.org
Gut Check: Exploring Your Microbiome
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31. Obrigado pela aten¸c˜ao!
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