CIÊNCIAS GENÔMICAS: FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES

Prévia do material em texto

Um livro sobre Genômica de alta qualidade e clareza, 
escrito por pesquisadores brasileiros. Que privilégio! O 
estudo da genômica tem uma história relativamente 
recente: iniciou-se há pouco mais de vinte anos, 
quando passamos a sequenciar o DNA de genomas DNA de genomas DNA
inteiros de organismos (bactérias), com cerca de 4 
milhões de pares de bases, e não mais apenas genes 
isolados (de 1000 a 2000 pares de bases). E rapida-
mente se transformou em uma fonte de informação 
fabulosa, tendo um impacto espetacular pouco tempo 
depois (ano 2000) com o sequenciamento do genoma 
humano, com 3 bilhões de pares de bases. Novas 
tecnologias foram incorporadas e hoje o genoma 
humano, inicialmente sequenciado em um projeto 
de mais de 10 anos, pode ser sequenciado em até 
um dia! A quantidade de informação gerada chega a 
ser fantástica: é um oceano de dados que precisa e 
deve ser estudado em suas diferentes facetas. E por 
isso, a genômica rapidamente transformou a forma 
de estudar Biologia, incorporando o essencial uso da 
bioinformática, com seus bancos de dados, na análise 
de genomas já sequenciados para uma quantidade 
fenomenal de organismos. Premissas evolutivas 
foram confirmadas demonstrando a fantástica simi-
laridade entre todos os organismos, mas também 
destrinchando as divergências entre eles. A compa-
ração dos diferentes genes e genomas revelou novas 
processos de Evolução, nos brindando com surpresas 
que nos indicam o quão pouco conhecemos e nos 
estimula a buscar mais conhecimento sobre a vida 
em nosso planeta. A facilidade na obtenção de dados 
tem nos mostrado o quão nós, seres humanos, somos 
parecidos não só com outros primatas, mas também 
com outros animais, sobretudo mamíferos, de quem 
divergimos na última centena de milhões de anos. 
A anatomia do genoma dos organismos, incluindo 
humano, expôs também a importância de regiões não 
codificantes de proteínas (98% de nosso genoma!), 
demonstrando o quanto ainda precisamos descobrir 
e aprender. Ao mesmo tempo, o sequenciamento 
de diferentes genomas humanos, permite conhecer 
melhor não só a história da Evolução humana, como 
também a diferença entre as pessoas. Essas dife-
renças em alguns milhões de nucleotídeos, possibilita 
não só a identificação de mutações responsáveis 
por patologias genéticas, mas também garantem 
a individualidade definindo avanços em processos 
terapêuticos, com profundo impacto na Medicina. 
O estudo de genomas deu ferramentas e estimulou 
o estudo em larga escala do funcionamento celular, 
gerando outras Ômicas. Assim, estudar os genes 
que são expressos em diferentes tecidos ou em 
determinadas condições é também conhecido como 
a Transcrissômica, também empregando tecnologias 
de sequenciamento a partir das moléculas de RNA. 
Outras tecnologias também permitem os estudos 
A formação de recursos humanos de qualidade em pesquisa científica requer 
uma robusta formação teórica. Entretanto o que temos visto ao longo da última 
década é uma academia preocupada em publicar cada vez mais artigos científicos 
em revistas especializadas, não necessariamente com qualidade, em detrimento 
da popularização da ciência e formação de recursos humanos. Neste contexto, 
alunos de distintos programas de pós-graduação estão se tornando tecnicistas 
pouco críticos e desarticulados com a evolução do pensamento científico em 
Ciências Genômicas. Na tentativa de minimizar estas condições, a elaboração 
deste livro passou por uma criteriosa análise de demanda por conhecimento, 
estabelecido junto aos alunos de pós-graduação com os quais tive a oportu-
nidade de trabalhar. Isto propiciou uma organização de capítulos que permite ao 
leitor compreender um pouco da história da genômica no Brasil e no mundo, e 
os decorrentes avanços oriundos de uma área do conhecimento que, em curto 
espaço de tempo, torna-se obsoleta pelas novas e fascinantes descobertas 
associadas. Com a participação de pesquisadores renomados, cada capítulo 
propicia ao leitor a oportunidade de se envolver a uma fundamentação teórica, ao 
mesmo tempo em que pincela aprofundamentos em conhecimentos específicos 
o que torna a obra diferenciada e, possivelmente, uma das principais fontes de 
consulta nesta área do conhecimento. Assim, esperamos que este livro possa 
se tornar uma bibliografia obrigatório a professores, pesquisadores e alunos dos 
mais distintos cursos de graduação e programas de pós-graduação em que as 
Ciências Genômicas possam se inserir.
Leandro Marcio Moreira
Professor e Pesquisador da Universidade Federal de Ouro Preto,
membro permanente dos programas de pós-graduação em Biotecnologia 
(PPGBiotec) e do Mestrado Profissional em Ensino de Ciências (MPEC)
amplos da Proteômica, proteínas, ou mesmo da 
Metabolômica, vias metabólicas, que permitem um 
conhecimento mais completo da fisiologia celular e de 
organismos multicelulares. O controle da expressão 
gênica em dimensões acima da sequência gênica, ao 
nível de modificações de bases ou de alterações nas 
proteínas da cromatina, também é feita agora em larga 
escala com a Epigenômica. E além do conhecimento 
dos genomas completos conhecer ambientes através 
de suas sequências gênicas gera dados fascinantes, 
o que é estudado pela Metagênomica. Esta permite 
estudar ambientes como uma região específica de 
um Oceano, gerando dados de sobre a vida de ecos-
sistemas, como também em ambientes específicos 
dentro dos organismos multicelulares, permitindo o 
conhecimento da microbiota humana, por exemplo, 
e como esta influencia nossas vidas. Ainda dentro 
de uma mesma célula, conhecer como as diferentes 
macromoléculas se relacionam, fazendo uma rede de 
interação, buscando compreender a células como um 
sistema completo e não fragmentado, é alcançado 
por estudos de Biologia de Sistemas. Ainda, compre-
ender, identificar e classificar as espécies que habitam 
nosso planeta ganhou impulso com o sequencia-
mento de poucos genes, mas de todos organismos de 
um ecossistema, através do Barcoding. E, finalmente, 
conhecer genes e sequencias gênicas incitou formas 
de engenheirá-los com benefícios para a sociedade, 
através do que hoje se conhece como Biologia 
Sintética. 
Esses conceitos estão discutidos com detalhe neste 
ousado livro de Genômica. De fato, reunir esses con-
ceitos em um livro de genômica é um desafio enorme, 
alcançado para que possamos navegar sobre esse 
conhecimento tão fundamental na biologia moderna. 
Dado ao conteúdo altamente multidisciplinar, o leitor 
com conhecimentos básicos de várias áreas pode 
desfrutar de como essa nova ciência foi originada, 
as contribuições científicas atuais e sobretudo das 
perspectivas que nos esperam no futuro. A revolução 
genômica já começou e este livro nos abre as portas 
a esse conhecimento. Aproveite.
Prof. Dr. Carlos Frederico Martins Menck
Professor titular pelo Departamento de 
Microbiologia (ICB) - Universidade de 
São Paulo, bolsista de Produtividade em 
Pesquisa do CNPq - Nível 1A - Genética
Ciências
genômicas:
fundamentos e
genômicas
fundamentos e
genômicas
 aplicações
Leandro Marcio Moreira
organizador
Apoio
PROJETO BIGA
Bioinformática, Genômica e Associados
Processo 3385/2013, edital 051/2013
COMISSÃO EDITORIAL SOCIEDADE BRASILEIRA DE GENÉTICA
Editor
Élgion Lúcio Silva Loreto
Universidade Federal de Santa Maria
Comissão Editorial
Carlos Frederico Martins Menck
Universidade de São Paulo
Louis Bernard Klaczko
Universidade Estadual de Campinas
Marcio de Castro Silva-Filho
Universidade de São Paulo
Maria Cátira Bortolini
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Marcelo dos Santos Guerra Filho
Universidade Federal de Pernambuco
Pedro Manoel Galetti Junior
Universidade Federal de São Carlos
Sociedade Brasileira de Genética
Rua Capitão Adélmio Norberto da Silva, 736
Alto da Boa Vista | CEP 14025-670| Ribeirão Preto, SP
Tels .: (16) 3621-8540 | contato@sbg .org .br | www .sbg .org .br
Capa, projeto gráfico e diagramação
Ciências genômicas : fundamentos e aplicações / Leandro Marcio Moreira 
(organizador). – Ribeirão Preto: Sociedade Brasileira de Genética, 2015.
403 p: il
Idioma: Português
ISBN 978-85-89265-22-5
1. Genômica estrutural. 2. Genômica funcional. 3. Genômica comparativa. 
4. Biologia sintética. 5. Biologia de sistemas. 6. DNA barcoding. 7. Metagenômica. 
8. Epigenômica. 9. Metabolômica. 10. Filogenômica. I. Moreira, Leandro Marcio, 
org. II. Título.
A minha esposa Edmara, e ao meu filho, Ângelo.
Aos meus Mestres, amigos e contemporâneos de formação.
Com carinho.
Leandro Marcio Moreira
Os autores
Alessandro de Mello Varani. Biomédico. Especialista em Bioinformática (LNCC) e Doutor em 
Biotecnologia pela USP. Pesquisador III do Departamento de Tecnologia da FCAV/UNESP-
Jaboticabal. Trabalha com Bioinformática, Genômica e Evolução de Micro-organismos e 
Plantas.
Camila Carrião M. Garcia. Graduada em Química e Doutora em Bioquímica pelo IQ-USP. 
Atualmente é professor efetivo de Bioquímica e Biologia Molecular lotado no Departamento 
de Ciências Biológicas da Universidade Federal de Ouro Preto. Trabalha mecanismos de danos 
e reparo de DNA e suas implicações no Câncer e Envelhecimento.
Claudio de Oliveira. Biólogo, Mestre e Doutor em Biologia/Genética pela USP. Atualmente 
é professor titular de Biologia Celular, lotado no Departamento de Morfologia, Instituto de 
Biociências da Universidade Estadual Paulista (UNESP). Trabalha desenvolvendo estudos 
em sistemática, biodiversidade, conservação e evolução.
Denise Dagnino. Bióloga, Especialista em Biologia de Cianobactérias. Doutora em Ciências 
Naturais e Matemática pela Universidade de Leiden na Holanda. Professora Associada de 
Biologia no Laboratório de Biotecnologia da Universidade Estadual do Norte Fluminense. 
Trabalha com fisiologia de micro-organismos.
Diego Bonatto. Biólogo pela UFRGS. Especialista em Biofísica, Mestre e Doutor em Biologia 
Celular e Molecular UFRGS. Atualmente é professor adjunto de Biologia Molecular 
e Bioinformática, lotado no Departamento de Biologia Molecular e Biotecnologia da 
Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Trabalha com ferramentas de biologia de sistemas 
aplicadas a mecanismos biológicos complexos, como envelhecimento e desenvolvimento. É 
membro afiliado da Academia Brasileira de Ciências (2011-2015).
Francisco Prosdócimi. Biólogo, Mestre em Genética e Doutor em Bioinformática pela UFMG. 
Atualmente é professor adjunto de Bioinformática no Instituto de Bioquímica Médica da 
Universidade Federal do Rio de Janeiro. Trabalha com montagem e anotação de genomas 
animais, genômica e transcriptômica comparativa, filogenômica e genética de populações.
Gonçalo Castelo-Branco. Licenciado em Bioquímica pela Universidade de Coimbra, Portugal, 
Doutor em Bioquímica Medica, pelo Instituto Karolinska, Estocolmo, Suécia. Atualmente é 
Professor Associado e Investigador Principal no Departamento de Bioquímica e Biofísica do 
Instituto Karolinska, Estocolmo, Suécia. Trabalha com estudos de epigenética em células 
progenitoras e células-mãe, com um foco em desenvolvimento neural e doenças neurológicas.
Helder I. Nakaya. Obteve seu grau de Bacharel em Ciências Biológicas pela Universidade de 
São Paulo em 2002 e seu doutorado em Bioquímica e Biologia Molecular pelo Departamento 
de Bioquímica do Instituto de Química da USP em 2007. O doutorado foi voltado para a área 
de Biologia Molecular e ioinformática. Se tornou professor assistente do Departamento 
de Patologia da Emory University em 2011, onde utiliza a biologia de sistemas para 
prever e entender a resposta imune a diferentes vacinas. Foi contratado como docente do 
Departamento de Análises Clínicas e Toxicológicas do Instituto de Ciências Farmacêuticas 
da USP em 2013.
Jan Schripsema. Farmacêutico, Especialista em Fitoquímica, Biotecnologia Vegetal e 
Metabolômica. Doutor em Ciências Naturais e Matemática pela Universidade de Leiden na 
Holanda. Professor Titular de Química de Produtos Naturais no Laboratório de Ciências 
Químicas da Universidade Estadual do Norte Fluminense. Trabalha com estudos de 
metabolômica em plantas medicinais e alimentos.
Jeronimo Conceição Ruiz. Químico pela UFSCar, Especialista em Bioinformática e Biologia 
Computacional e Doutor em Bioquímica pela FMRP/USP com pós-doutorado no Wellcome 
Trust Sanger Institute, Inglaterra. É pesquisador adjunto da FIOCRUZ (CPqRR, Belo 
Horizonte, MG). Atua primariamente na integração computacional de dados biológicos 
(redes de interação de proteínas, desordem estrutural proteica, imunoinformática, genômica 
e transcriptômica comparativa) em patógenos de interesse em saúde pública.
Juliana Lopes Rangel Fietto. Farmacêutica. Doutora em Bioquímica pela USP. Professora 
associada da Universidade Federal de Viçosa. Tem experiência na área de Biotecnologia e 
Bioquímica, com ênfase em biologia molecular, produção de proteínas recombinantese e 
aplicações biotecnológicas, bioquímica de enzimas e biologia celular, voltados para doenças 
infecciosas humanas e animais. 
Julio Cezar Franco de Oliveira. Farmacêutico-Bioquímico. Doutor em Bioquímica pela USP. 
Professor Adjunto da Universidade Federal de São Paulo, UNIFESP - Diadema. Trabalha em 
Bioquímica com ênfase em Genômica Funcional.
Laila Alves Nahum. Bióloga. Bacharel em Microbiologia pela UFMG, Mestre em Bioquímica 
e Doutora em Genética pela USP com pós-doutorados no Marine Biological Laboratory e 
Louisiana State University, Estados Unidos. É pesquisadora efetiva na FIOCRUZ (CPqRR, Belo 
Horizonte, MG). Trabalha com filogenômica e evolução molecular de famílias de proteínas 
de diversos organismos atuando na interface entre Ciência e Educação.
Leandro Marcio Moreira. Biólogo e Especialista em Biologia Molecular pela USJT, Mestre e 
Doutor em Bioquímica pelo IQ-USP. Atualmente é professor efetivo de Bioquímica e Biologia 
Molecular lotado no Departamento de Ciências Biológicas da Universidade Federal de Ouro 
Preto. Trabalha com estudos de genômica comparativa e funcional de micro-organismos, 
bioprospecção e metagenômica de ambientes de canga e desenvolvimento de ferramentas 
didáticas em baixo custo para o ensino de ciências moleculares.
Leandro Xavier Neves. Bacharel em Nutrição. Mestre e doutorando em Biotecnologia pela 
Universidade Federal de Ouro Preto, área de concentração Genômica e Proteômica. Tem 
atuado na caracterização de proteínas da interface parasito-hospedeiro, em infecções 
causadas por helmintos e protozoários, e métodos de purificação, depleção e fracionamento 
proteico.
Luciana Principal Antunes. Bióloga. Bacharel em Ciências Biológicas pela UNIFESP e 
doutoranda em Ciências Biológicas (Bioquímica) pelo IQ- USP. Desenvolve projeto nas áreas 
de metagenômica e metatranscritômica de micro-organismos da compostagem do Zoológico 
de São Paulo. Atualmente também atua como Perita Criminal na Superintendência da Polícia 
Técnico-Científica de São Paulo.
Luciano Antonio Digiampietri. Bacharel e Doutor em Ciência da Computação pela UNICAMP. 
Atualmente é professor-doutor nos cursos de bacharelado e mestrado em Sistemas de 
Informação na Universidade de São Paulo. Trabalha com montagem e anotação de genomas 
e metagenomas; gerenciamento de experimentos científicos; mineração de dados; e análise 
de redes sociais.
Luciano Gomes Fietto. Farmacêutico. Doutor em Bioquímica e Biologia Molecular pelo 
Instituto de Química da USP. Professor Associado do Departamento de Bioquímica e Biologia 
Molecular da Universidade Federal de Viçosa (UFV). Trabalha com melhoramento de leveduras 
para produção de Bioetanol e no estudo da resposta a estresses em plantas e leveduras.
Luiz Henrique Garcia Pereira. Biólogo e Doutor em Ciências Biológicas (Zoologia) pela UNESP.Atualmente é Professor Adjunto de Biologia Molecular e Genética, lotado no Instituto Latino-
Americano de Ciências da Vida e da Natureza da Universidade Federal de Integração Latino-
Americana (UNILA). Trabalha com estudos em genética animal nas áreas de biodiversidade, 
conservação, sistemática e evolução.
Marcia Regina Soares da Silva. Física. Mestre em Física pelo Centro Brasileiro de Pesquisas 
Físicas. Doutora em Ciências Biológicas (Biofísica) pela UFRJ. Pós-doutora pelo LNLS. 
Professor adjunto do Instituto de Química da UFRJ. Tem experiência na área de Biofísica, 
com ênfase em Biofísica Molecular, atuando principalmente com proteínas e peptídeos, 
espectrometria de massas e proteômica.
Márcia Rogéria de Almeida. Bióloga (PUC-MG), Mestre em Bioquímica e Imunologia pela 
UFMG, Doutora em Bioquímica pela UFRGS/Plum Island Animal Disease Center-USDA-EUA. 
Professora titular da Universidade Federal de Viçosa. Têm experiência em Bioquímica Aplicada 
e Medicina Veterinária Preventiva, com ênfase em biologia molecular de vírus animais, 
atuando principalmente nos seguintes temas: infectologia molecular, diagnóstico, vacinas 
recombinantes e antivirais.
Mateus Schreiner Garcez Lopes. Biólogo, Especialista em Gestão de Projetos, Doutor em 
Biotecnologia com ênfase em Engenharia Metabólica e cursando MBA em Agronegócios. 
Possui experiência internacional em P&D em biotecnologia e atualmente trabalha na Inovação 
Corporativa da Braskem S.A. com novos negócios em biotecnologia.
Paulo Adriano Zaini. Biólogo e Doutor em Bioquímica pela USP. Atualmente é pesquisador 
nível pós-doutorado no Departamento de Bioquímica da Universidade de São Paulo. Trabalha 
com estudos de genômica comparativa e funcional de micro-organismos, com ênfase em 
bactérias fitopatogênicas.
Paulo de Paiva Amaral. Bacharel em Ciências Biológicas pela Universidade de Brasília, 
Mestre em Bioquímica pela Universidade de São Paulo e Doutor em Genética Molecular 
pela Universidade de Queensland, Austrália. Atua como Pesquisador Associado no Wellcome 
Trust / Cancer Research UK Gurdon Institute, Universidade de Cambridge, Reino Unido. 
Sua pesquisa abrange a caracterização das funções, evolução e mecanismos de ação de RNAs 
regulatórios em vertebrados, com foco na regulação da cromatina.
Renata Guerra de Sá Cota. Farmacêutica. Doutora em Bioquímica pela Universidade USP. Pós-
doutora na área de Parasitologia Molecular pela USP. Professora Associada da Universidade 
Federal de Ouro Preto. Tem experiência nas áreas de Bioquímica e Biologia Molecular, com 
ênfase em Biologia Molecular de Parasitos.
Talles Eduardo Ferreira Maciel. Bioquímico. Mestre e Doutor em Bioquímica Agrícola pela UFV. 
Atualmente é pesquisador nível pós-doutorado no Departamento de Zootecnia da Universidade 
Federal de Viçosa; trabalhando essencialmente com Bioinformática. Trabalha com análise 
de dados oriundos de plataformas de sequenciamento de nova geração (tratamento inicial 
dos dados, montagem de genomas e transcriptomas, predição gênica e anotação), análise de 
expressão gênica diferencial, estudos de genômica comparativa e metagenômica.
William de Castro Borges. Farmacêutico. Doutor em Bioquímica pela USP. Pós-doutor pelo 
Centre of Excellence in Mass Spectrometry - University of York / UK (2005 - 2007). Professor 
Adjunto do Departamento de Ciências Biológicas da UFOP. Trabalha com Bioquímica dando 
ênfase na área de Proteômica.
Agradecimentos
A todos os professores e pesquisadores que fizeram parte desta conquista, ora como 
membro de autoria em um dos capítulos, ora como orientadores em tomada de decisão.
À CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) e ao Projeto 
BIGA - Biologia Computacional (Coordenado pelo Prof. Dr. João Carlos Setubal) por 
fomentarem este sonho.
À SBG (Sociedade Brasileira de Genética), em especial ao editor de livros Prof. 
Dr. Élgion Lúcio Silva Loreto, pelo apoio técnico nesta empreitada.
Aos alunos dos cursos de graduação e pós-graduação que, de uma forma ou de outra, 
me mostraram a importância de produzir algo dentro desta linha de conhecimento.
Aos professores/pesquisadores Fernando de Castro Reinach, Paulo Lee Ho, Carlos 
Frederico Martins Menck e Bayardo Baptista Torres por redigirem respectivamente 
os textos presentes no prefácio, forewords, orelha de capa e capa, respectivamente.
A todos que de alguma forma participaram da construção e caracterização desta obra.
Sumário
Prefácio 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Prefácio 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Capítulo 1
História e importância da genômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 
Luciano Gomes Fietto; Márcia Rogéria de Almeida Lamëgo
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Cronologia das descobertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
Capítulo 2
Sequenciando genomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 
Juliana Lopes Rangel Fietto; Talles Eduardo Ferreira Maciel
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Metodologias de sequenciamento em pequena escala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Sequenciamento químico de Maxam-Gilbert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Método de Sanger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Aprimoramento do método de Sanger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Método automatizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
Estratégias de sequenciamento de DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Shotgun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Primer Walking .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Estratégias de sequenciamento de RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Sequenciamento de ESTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
Produção de bibliotecas de cDNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
Orestes (Open Reading Frame ESTs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Sequenciamento de nova geração (Next Generation Sequencing – NGS) . . . . . . . . . . . . . . . . .43
Plataforma 454 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
Plataforma Illumina® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
Plataforma SOLiD® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Cronologia e evolução do sequenciamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Sanger × tecnologias de sequenciamento de segunda geração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
Sequenciamento do genoma humano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Montagem de genomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Predição gênica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Anotação gênica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
Mapas genômicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Genomas incompletos (draft): problemas e soluções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
Capítulo 3
Construindo bancos de dados biológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 
Luciano Digiampietri; Jerônimo Conceição Ruiz
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
Tipos comuns de bancos de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
Arquivos texto (Flat text files) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
Arquivos XML (Extensible Markup Language) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
Relevância da linguagem Perl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
O SGBD MySQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Acessando banco de dados relacionais utilizando Perl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
BioPerl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Interação na Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
Conceitos básicos de HTML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
Uso de CGI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Scripts CGI escritos em Perl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Recebendo e retornando informações básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
Permitindo interação Web com um banco de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
Capítulo 4
Genômica comparativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 
Francisco Prosdócimi; Leandro Marcio Moreira
Introdução: por que comparar genomas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
Comparando o conjunto de biomoléculas produzido em uma célula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
Genes conservados, genes espécie-específicose herança vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Sintenia e mudança de organização estrutural de genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
Genoma mínimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
Genes hipotéticos e conservados hipotéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
SNPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
Capítulo 5
Plasticidade e fluxo genômico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 
Leandro Marcio Moreira; Alessandro de Mello Varani
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Plasticidade genômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
Reorganização da estrutura cromossômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Duplicação, inversão, deleção e translocação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
Elementos genéticos móveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
Fluxo do/no genoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Plasticidade do genoma e adaptação ao ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Plasticidade genômica e aquisição de genes de virulência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Capítulo 6
Filogenômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 
Laila Alves Nahum; Jerônimo Conceição Ruiz
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Árvores evolutivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Homologia e evolução molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Relações de homologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Mecanismos de evolução molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
Tipos de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Sequências moleculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Seleção de sequências para análise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
Conteúdo gênico, ordem gênica e outros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
Alinhamentos e reconstrução filogenética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
Outras considerações sobre o alinhamento de sequências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
Reconstrução de árvores evolutivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Predição funcional de genes e seus produtos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
Predição funcional via filogenômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
Exemplos de estudos usando filogenômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
Conclusões, desafios e perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
Agradecimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
Capítulo 7
Mutassômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 
Leandro Marcio Moreira; Marcia Regina Soares
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143
Como induzir mutações para verificar perda de função gênica? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Tipos de bibliotecas de mutantes . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Mutações aleatórias usando cassetes de inserção com elementos de transposição . . . . 147
Mutações regiões específicas usando cassetes de recombinação homóloga . . . . . . . . . . . . 151
Geração de um duplo mutante em organismos diploides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
Mutações polares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
Bancos de dados integrativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Bancos de dados contendo informações de mutantes em organismos-específicos . . . . . 157
Bancos de dados envolvendo mutações relacionadas com patologias-específicas . . . . .158
Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
Capítulo 8
Transcrissômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 
Leandro Marcio Moreira; Renata Guerra de Sá Cota; Camila Carrião M . Garcia
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Conceituando e destacando a importância dos transcrissomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
Um breve histórico envolvendo a análise de expressão gênica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Análise global da expressão gênica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Análise em larga escala utilizando microarranjos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Fatores que interferem e prejudicam análises usando microarranos de DNA . . . . . . . . . . . . . 174
Obtenção das imagens de hibridação e análise preliminar dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . 175
Diferentes métodos para se analisar resultados de transcrissoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
Análise por diagrama de Venn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
Análise baseada em heat map (mapas de intensidade) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
Análise de agrupamentos de genes baseada em K-means . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
Gráficos de indução × repressão gênica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
Capítulo 9
Análise proteômica: princípios e aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 
William de Castro Borges; Leandro Xavier Neves
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183
A técnica de eletroforese bidimensional (2-DE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
A primeira dimensão: isoeletrofocalização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A segunda dimensão: SDS-PAGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A identificação de proteínas por espectrometria de massas e bioinformática . . . . . . . . . . . .187
A espectrometria de massas aplicada à análise de peptídeos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Bioinformática aplicada à proteômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
Identificação de proteínas em larga escala - Shotgun Proteomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Capítulo 10
Metabolômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 
Jan Schripsema; Denise Saraiva Dagnino
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Os metabólitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
Açúcares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Amino ácidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Ácidos graxos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Terpenóides . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Ácidos orgânicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Flavonoides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Outros fenólicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210
Alcaloides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Das quantidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Previsão dos metabolitos presentes na amostra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .212
Coleta e extração da amostra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
Polaridade e solubilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214
As técnicas analíticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216
Processamento de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
A identificação dos metabolitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Capítulo 11
Epigenômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 
Paulo de Paiva Amaral; Gonçalo Castelo-Branco
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
O que é epigenética? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Cromatina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Regulação da estrutura da cromatina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Modificação do DNA por metilação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Modificações covalentes de histonas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Substituição de histonas por variantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Remodelamento de nucleossomos dependente de ATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
RNAs não-codificadores de proteínas e cromatina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
A organização tridimensional da cromatina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
Epigenômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Tecnologias epigenômicas: mapeamento global de domínios funcionais da cromatina . . 243
Imunoprecipitação da cromatina (ChIP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Douglas
Destacar
Estratégias de Captura da Conformação da Cromatina: 
3C e suas variantes (4C, 5C e “HiC”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
3C (Captura de Conformação da Cromatina) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
4C (“Captura de Conformação da Cromatina Circular” 
ou “Chromosome Conformation Capture on Chip”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
5C (3C cópia de carbono ou “3C-carbon copy”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
HiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
ChIP-loop e ChIA-PET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Técnicas comuns para o estudo de metilação de DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251
Conversão com bissulfito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251
Digestão diferencial de DNA metilado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Técnicas de enriquecimento de DNA metilado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Técnicas para determinação do estado de compactação da cromatina . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
EWAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Capítulo 12
Metagenômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261 
Luciana Principal Antunes; Julio Cézar Franco de Oliveira
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
Estudo da diversidade microbiana a partir de amostras ambientais 
através de análise do rRNA por PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Metagenomas da microbiota ambiental e associada a hospedeiros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Sequenciamento de alto-desempenho de metagenomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Análise de metadados obtidos com sequenciamento de alto-desempenho . . . . . . . . . . . . . 269
O link funcional que estava faltando nas análises da metagenômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271
Metagenômica e biotecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Capítulo 13
Genômica e biologia de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277 
Diego Bonatto; Helder Takashi Imoto Nakaya
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277
Definindo a biologia de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Histórico da biologia de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281
Fluxo de informações nos sistemas biológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Tipos de biologia de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Fundamentos teóricos da biologia de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Propriedades matemáticas das redes de interações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
A questão da modularidade biológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Quantificando e modelando o sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Aplicações da biologia de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Estudos da interação DNA-proteína . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Organização e evolução dos sistemas biológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Páginas na Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Capítulo 14
Genômica e o código de barras da vida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 
Luiz Henrique Garcia Pereira; Claudio Oliveira
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Como identificamos espécies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Números da biodiversidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Extinção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Impedimento taxonômico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Métodos alternativos de identificação de espécies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Vantagens dos métodos moleculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
O código de barras da vida - DNA barcoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314
Fundamentos da técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315
A escolha do segmento de DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318
Protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Construção de bancos de dados . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Operação do banco de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Validação das sequências barcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Aplicações do DNA barcoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Limitações da metodologia de DNA barcoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Críticas e controvérsias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Estado atual da arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .341
Perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
Capítulo 15
Biologia sintética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 
Paulo Adriano Zaini; Mateus Schreiner Garcez Lopes
Introdução e bases conceituais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Origens, bases de conhecimento e eventos históricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
Biobricks e a secretaria de partes padrão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
Dispositivos sintéticos: interruptores e portas lógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
Osciladores e uma bactéria que conta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Sistemas gênicos multicelulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Estado da arte da BS: grupos de pesquisa e empresas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Pesquisas e projetos acadêmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
Fábricas de DNA, biopartes e informática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .371
BS aplicada aos combustíveis, químicos e biorremediação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Biotecnologia farmacêutica e medicina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Tratamento de câncer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
Desenvolvimento de vacinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
Engenharia de microbiomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .381
Terapia celular e medicina regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Biocomputação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Comunidade da biologia sintética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
Do-It-Yourself Biology e a Ciência Cidadã . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
Aspectos legais, bioética e biossegurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
iGEM e SynbioBrasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
Perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
Bibliografias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391
Glossário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Apêndice 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Apêndice 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
Apêndice 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
17
Prefácio 1
Fernando Reinach
O livro que você têm em mãos demonstra de maneira cabal o enorme progresso da 
Genômica nas últimas décadas. É impressionante o quanto a tecnologia mudou desde 
meados do século XX quando a estrutura do DNA foi descoberta. 
Hoje somos capazes de sequênciar genomas inteiros em dias, mapear padrões de 
expressão de RNAs, caracterizar a expressão de proteínas e até determinar o genoma 
de comunidades de microorganismos. Além disso a tecnologia necessária para alterar 
genes individuais ou conjuntosde genes em diversos tipos de organismos é hoje uma 
atividade quase rotineira. Todas essas tecnologias estão muito bem explicadas nos 
diversos capítulos desse livro, com exemplos de aplicações e ilustrações de ótima 
qualidade.
A simples existência desse livro é uma demonstração que a Genômica é hoje 
uma área do conhecimento muito bem estabelecida em que o arcabouço teórico e 
experimental está suficientemente desenvolvido para permitir o surgimento de novas 
tecnologias e produtos. Essa é uma área do conhecimento em que os avanços estão 
deixando de ser revolucionários para serem incrementais. Mas isso não quer dizer que 
já sabemos o que está por ser descoberto. Olhando pela perspectiva do genoma e seus 
constituintes o que sabemos é impressionante. Mas se olharmos sob a perspectiva do 
fenótipo nossa ignorância é quase total.
Sugiro ao leitor, antes e depois de ler esse livro, que faça o seguinte exercício mental. 
Imagine o olho de um vertebrado. Depois tente listar o que ainda falta para podermos 
descrever a formação desse olho durante a embriogênese com uma sequência de 
ativações e desativações de genes presentes do genoma no desse animal. Basta tentar 
fazer um exercício dessa natureza para perceber que apesar de termos técnicas 
altamente sofisticados para analisar e interpretar o genoma, ainda estamos longe de 
entender o que está codificado no DNA que compõe esse genoma.
O estudo da Genômica só poderá ser considerado terminado quando, de posse da 
sequência de DNA de um dado organismos, formos capazes de derivar e descrever a 
forma do seu corpo, seu desenvolvimento embrionário, parte de seu comportamento, 
e seu ciclo de vida. Ainda estamos muito, muito longe essa façanha.
É por isso que a leitura desse livro impressiona. Se por um lado ela demonstra o 
quanto esta ciência progrediu nos últimos 6 0 anos, por outro lado deixa claro o quanto 
ainda temos pela frente.
19
Prefácio 2
Dr. Paulo Lee Ho
Bolsista de Produtividade em Pesquisa do CNPq - Nível 1A - CA BI - Biotecnologia
Pesquisador Científico IV e Diretor Técnico da Divisão de
Desenvolvimento Tecnológico e Produção do Instituto Butantan
A obra “Ciências Genômicas: fundamentos e aplicações”, organizada pelo Prof. Dr. 
Leandro Márcio Moreira, contém diversos capítulos escritos por vários especialistas 
reconhecidos em suas áreas de atuação, incluindo o próprio Prof. Leandro. Tem o 
suporte da Capes (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Ensino Superior), 
da Sociedade Brasileira de Genética e da Universidade Federal de Ouro Preto. Portanto, 
ela já se apresenta com vários selos de qualidade, que é confirmada com sua leitura.
Organizar e escrever uma obra técnica-científica, como o presente livro, é um 
desafio ingrato e de grande risco. O livro tem um propósito diferente de um artigo 
científico e busca revisar o conhecimento atual, de forma a educar um leitor fora 
da área e ao mesmo tempo organizar esse conhecimento e discuti-lo criticamente, 
permitindo àqueles que atuam em ciências genômicas, uma visão orgânica e atual 
dos mesmos. Por ser uma área técnico-científica, novos conhecimentos são gerados 
a cada dia. Assim, escrever um livro com tal conteúdo significa que ele já está 
desatualizado quando é finalizado. Desta maneira, este livro é muito diferente de um 
livro de romance, de crônicas, entre outros, que são obras perenes. Ainda assim, um 
livro técnico-científico é necessário e de grande importância, pois em função dos 
avanços diários no conhecimento científico, da complexidade e do grande volume 
de informações, facilita o acompanhamento no desenvolvimento das pesquisas e os 
avanços teóricos e técnicos da área, mesmo para os mais experimentados no assunto.
Conheci o Prof. Leandro quando foi meu aluno. Ele já era um aluno que se destacava 
dos demais não somente quanto à facilidade de aprendizado, mas também pelo “brilho 
nos olhos”, de querer fazer mais, de querer melhorar sempre, de querer aprender 
constantemente, características imprescindíveis a um cientista. Outras qualidades que 
me chamaram a atenção foram sua honestidade, sinceridade e a transparência das suas 
ideias. De fato, esta obra é produto de um profissional preocupado em educar e passar 
adiante os conhecimentos, de uma pessoa que pensa grande. O País precisa de talentos 
e de profissionais ousados como o Prof. Leandro, que aceitou o desafio de organizar 
este livro com todos os riscos mencionados acima. A leitura do livro é apenas o início da 
aventura do conhecimento. Se ela for bem-sucedida, irá envolver as mentes de jovens 
Ciências genômicas: fundamentos e aplicações20
estudantes com perguntas, curiosidades, desejo de conhecer mais e mais esta área, de 
experimentar, de entender os fatos da natureza, de criar conhecimento, de contribuir 
para o bem-estar da humanidade com os novos conhecimentos científicos. E é isto o 
que importa, pois estes jovens irão construir o futuro deste País e irão inspirar outros 
jovens estudantes e assim, sucessivamente. Parabéns ao Prof. Leandro, aos autores 
dos capítulos, à Editora e aos patrocinadores pelo excelente trabalho.
21
1
História e importância 
da genômica
Luciano Gomes Fietto
Márcia Rogéria de Almeida Lamëgo
Introdução
Várias descobertas podem ser consideradas como o início da Ciência Genômica 
(Singer and Berg 2004). Na Tabela 1 está representada uma linha do tempo, onde 
descobertas no estudo da Genética e da Biologia Molecular estão listadas como 
fundamentais para o desenvolvimento da Genômica como nós a conhecemos hoje. 
Muitos leitores sentirão falta de algumas descobertas importantes ou mesmo não 
considerarão algumas destas apresentadas como importantes para o desenvolvimento 
desta importante e moderna Ciência. Este fato é esperado já que apesar de descobertas 
importantes serem atribuídas a uma pessoa ou a um grupo específico, certamente os 
achados fundamentais estão baseados em uma bibliografia vasta e coerente. Desse 
modo podemos considerar a Genômica uma ciência moderna que surgiu e cresceu 
pela convergência de outras ciências, principalmente a Bioquímica, a Estatística e a 
Ciência da Computação.
O objetivo central deste capítulo é posicionar o leitor num contexto histórico 
que o permita compreender melhor a importância destas descobertas no atual 
desenvolvimento da Ciência Genômica. Ao mesmo tempo, esperamos que esta proposta 
possa ser amplamente utilizada por docentes e alunos dos mais variados cursos de 
graduação e pós-graduação como uma ferramenta fundamental ao desenvolvimento 
de disciplinas relacionadas. Após uma breve descrição e cronologia das principais 
descobertas faremos uma abordagem detalhada de algumas experimentações 
que consideramos fundamentais e deveriam ser discutidas com todos os alunos 
formandos em ciências biológicas, uma forma de resgatar o conhecimento histórico 
e o desenvolvimento do pensamento científico.
Ciências genômicas: fundamentos e aplicações22
Cronologia das descobertas
Desde que Gregor Mendel realizou experimento com ervilhas e definiu os primeiros 
conceitos na genética, em 1858, se passou mais de um século até que os primeiros 
genomas viessem a ser sequenciados. Após o primeiro genoma ser decifrado, em pouco 
mais de uma década foram sequenciados os genomas completos de vários organismos 
procariotas e eucariotas, chegando até o genoma humano.
Simplificando a linha do tempo podemos considerar o nascimento da Era Genômica 
quando o genoma de 5.375 mil pares de bases do Bacteriófago ɸx174 foi determinado 
(Sanger, Air et al. 1977). Outra revolucionária técnica descrita por Sanger conhecida 
como shotgun, que consiste no isolamento de pedaços randômicos do DNA que depois 
de sequenciados são agrupados em pedaços maiores até a montagem completa de uma 
longa sequência de DNA contínua, possibilitou o sequenciamento do Bacteriófago λ 
que possui um genoma de 48.502