1_Introducao_2013 BIOINFORMÁTICA

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Bioinformática 
2 - Introdução 
Bioinformática 2013 
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Bioinformática / Biologia Computacional 
l  Novas disciplinas que reúnem as seguintes áreas científicas: 
l  Biologia (molecular) 
l  Ciência de computação 
l  Estatística 
l  Tecnologias de Informação 
l  Computadores e Ciência da informação 
l  Abrange o estudo e utilização das ferramentas computacionais para 
armazenamento, acesso e análise de dados 
Em resumo 
l  A Bioinformática faz uso das ferramentas computacionais para 
armazenar, aceder e analizar todo o tipo de dados biológicos que 
podem ir do DNA aos ecossistemas 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1869 - Johann Friedrich Miescher 
 descobriu o DNA e chamou-lhe nucleína 
1881 - Edward Zacharias mostrou que os cromossomas eram 
constituídos por nucleína 
1899 - Richard Altmann chamou ácido nucleico à nucleína 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
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Cerca de 1900, foram identificadas as 
estruturas químicas dos 20 
aminoácidos 
1902 - Emil Hermann Fischer ganha o 
prémio Nobel: mostrou que as 
proteínas são constituídas por a.a. 
ligados entre si. Postulou que as 
propriedades das proteínas são 
definidas pela sua composição em a.a. 
e pela sequência desses a.a. 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1911 – Thomas Hunt Morgan 
descobre que os genes se 
encontram nos cromossomas 
e que são as unidades da 
hereditariedade 
1911 - Pheobus Aaron Theodore 
Lerene descobre o RNA 
1933 - Arne Tiselius foi o primeiro 
a usar a electroforese para 
separar proteínas em solução. 
Ganhou o prémio Nobel da 
Química em 1948 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1941 – George Beadle e Edward 
Tatum descobrem que os 
genes produzem proteínas 
 
 
1943 – Foi construído o primeiro 
computador electrónico na 
Universidade da Pensilvânia 
 
 
1950 – Edwin Chargaff descobre 
a complementaridade entre as 
bases do DNA 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1950s – Mahlon Bush Hoagland 
isolou tRNA 
 
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Hemoglobina humana, A 1951 Pauling e Corey propuseram as 
estruturas para a helice α e a folha pregueada 
β da estrutura secundária das proteínas 
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Marcos na história da Biologia Molecular e 
Bioinformática 
1952 - Martha Chase e Alfred 
Hershey provaram que o DNA 
era a molécula responsável 
pela transmissão e 
armazenamento da informação 
genética 
Em 1969 Hershey ganhou o 
prémio Nobel da Medicina pela 
sua descoberta de que um 
vírus pode causar mutações e 
ter múltiplos genes 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1952-1953 - James Watson e Francis 
Crick deduziram a estrutura da 
molécula de DNA recorrendo ao 
material ode difracção por raios X 
obtido Rosalind Franklin 
 
1955 – A sequência da insulina 
bovina foi a primeira proteína a 
ser analisada por F. Sanger 
 
 
 
 
Rosalind Franklin 
1958 - Jack Kilby construiu 
o primeiro circuito integrado 
para a Texas Instruments 
 
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James Watson 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1956 - George Emil Palade mostrou 
que as proteínas são produzidas 
em ribossomas 
 
1969 Foi criada a ARPANET para 
estabelecer ligações entre os 
computadores de Stanford, 
UCSB, Universidade de Utah e 
UCLA 
 
1970 - Howard Temin and David 
Baltimore isolaram 
independentemente a primeira 
enzima de restricção 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1977 - Phillip Sharp e Richard 
Roberts demonstraram que o 
pre-mRNA é processado pela 
remoção dos intrões e 
recolocação dos exões 
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1980 – Sequenciação completa do primeiro gene de um organismo 
(FX174). O gene posuui 5 386 bp e codifica para 9 proteínas 
 
 
1980 – É fundada a IntelliGenetics, Inc na California. O seu principal 
produto foram os programas IntelliGenetics Suite para a análise de 
sequências de DNA e proteínas 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1981 - É publicado o algoritmo Smith-Waterman algoritmo para o alinhamento 
de sequências. 
 
1981 – A IBM introduz no mercado o primeiro computador pessoal. 
 
1983 – É lançado o Compact Disk (CD). 
 
1985 - É publicado o algoritmo FASTP. 
 
1985 - Kary Mullis e colaboradores descrevem 
 a reacção de PCR. 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1986 - Leroy Hood desenvolveu o mecanismo 
 de sequenciação automática 
 
 
 
 
1986 – É anunciada a Human Genome Initiative para sequenciação do 
genoma humano 
 
1986 – É cunhado o termo Genómica por Thomas Roderick para descrever a 
área científica que inclui o mapeamento, sequenciação e análise de genes. 
 
1986 – É criada a base de dados SWISS-PROT pelo Department of Medical 
Biochemistry da University of Geneva e o European Molecular Biology 
Laboratory (EMBL). 
 
1987 – São descritos os YACs (yeast artificial chromosomes) (David T. Burke, 
et. al., Science, 236: 806-812). 
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Marcos na história da Biologia 
Molecular e Bioinformática 
1988 – O NCBI (National Center for Biotechnology Information) é lançado pelo 
National Cancer Institute 
 
1988 – O algoritmo FASTA para comparação de sequências é publicado por 
Pearson e Lupman. 
 
1988 - Um programa novo - vírus informático- infectou 6 000 computadores 
militares no EEUU 
 
1995 John Craig Venter – sequenciou o 
 primeiro genoma bacteriano 
 
 
 
 
1995 Sequenciação fluorescente automática e robótica 
 
1996 Primeiro genoma eucariota sequenciado – levedura 
 
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Marcos na história da Biologia Molecular 
e Bioinformática 
1997 – Genoma de E. coli sequenciado 
 
1998 - PerkinsElmer, Inc. desenvolveu o sequenciador de 96 capilares 
 
1998 - Genoma de Caenorhabditis elegans completamente sequenciado 
 
1999 - Primeiro cromossomas humano sequenciado (cromossoma 22) 
 
2000 – Sequência completa da porção eucromática do genoma de Drosophila 
melanogaster 
 
2001- 2004 – Rascunho do genoma humanto até à conclusão do Projecto 
Sequenciação do genoma do ratinho (mouse) e do rato (rat) 
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Tipos de informação 
l  Genoma 
l  Totalidade do complemento de DNA de um organismo determinado por 
sequenciação 
l  Transcriptoma 
l  Totalidade ds mRNAs (transcritos presentes num tipo de célula e numa 
determinada condição) – representa a totalidade de genes expressos nesse 
tipo celular. Quantifica-se por microarrays e/ou SAGE (Serial Analysis of 
Gene Expression) 
l  Proteoma 
l  Totalidade de proteínas presentes num tipo de célula e numa determinada 
condição 
l  Metaboloma 
l  Descrição das proteínas metabolicamente activas e de outros metabolitos 
presentes na célula 
l  Metiloma 
l  Totalidade de sequências que se encontram metiladas 
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Disciplinas emergentes 
l  Genómica Estrutural: 
l  Estudo das estruturas 3D dos produtos da expressão génica – proteínas 
e RNA 
l  Genómica Funcional: 
l  Pretende estudar o funcionamento dos genomas como um todo: 
informação genética, regulação desta informação eexpressão – 
fenótipo 
l  Biologia de Sistemas 
l  Faz uma análise global e integrada dos processos biológicos 
l  Tem como objectivo compreender sistemas biológicos complexos com 
usando ferramentas interdiciplinares 
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Biologia de sistemas 
Human oncogene-signaling map 
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Que perguntas podemos responder com a 
Bioinformática / Biologia Computacional? 
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1 Semelhanças entre sequências 
l  Problema: 
l  Possuímos uma sequência de DNA ou proteína . Queremos 
saber rapidamente a função dessa sequência. 
l  Solução: 
l  Efectuar pesquisas de semelhança entre sequências. 
l  software especializado compara a nossa sequência com grandes 
bases de dados onde existem milhões de sequências 
l  Se na base de dados existe uma sequência muito semelhnate à 
nossa (com um grande scoring), então podemos começar a 
inferir que a nossa sequência tem a mesma função ou uma 
função semelhante. 
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2 Semelhanças entre sequências 
l  Usam-se correntemente alguns softwares de pesquisa: 
l  BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) - ferramenta mais usada 
em Bioinformática 
l  É muito rápido, sensível e está disponível para todos. Existe ligado a 
muitas organizações o que permite a pesquiza em inúmeras bases de 
dados 
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2 Organização de genomas 
l  Problema: 
l  Determinar a sequência completa de uma longa secção de DNA 
a partir de uma colecção de numerosas sequências pequenas. 
Estas sequências pequenas são o resultado directo da 
sequenciação e têm em média aproximadamente 500 pares de 
bases (bp) 
l  Solução: 
l  A montagem destas sequências é feita com recurso a software 
que identifica as sequências pequenas que se sobrepoem e 
produz um ”contig” (contiguous assembly) 
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1 Organização de genomas 
l  Depois de ter todos os 
fragmentos uni-los na ordem 
correcta 
l  O Problema: SCS Problem 
(Shortest Common 
Superstring) 
l  Alguns dos fragmentos 
sobrepoem-se 
l  Sobrepôr todos os fragmento 
e encontrar a sequência 
menor possível que inclua 
todos os fragmentos 
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1 Organização de genomas 
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3 Previsão da estrutura de uma proteína 
l  Problema: 
l  A nossa proteína possui uma determinada sequência que foi 
previamente cofirmada através da análise de busca de semelhanças 
mas queremos saber mais acerca da sua função através da previsão da 
sua estrutura 
l  As proteínas 
l  são as moléculas mais importantes do ponto de vista metabólico – 
catalizam reacções 
l  encontram-se envolvidas na regulação da expressão génica 
l  Solução: 
l  Existem vários tipos de métodos que prevêem a estrutura a partir da 
sequência 
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3 Previsão da estrutura de uma proteína 
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Previsão de uma macroestrutura 
Capsid of Lambda-like Phage HK97