Aula 6 - Biologia de sistemas

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Biologia de sistemas
Profa. Msc. Isadora Louise
Universidade Federal Rural do Semi-árido – UFERSA
Departamento de Ciências Animais 
Disciplina: Bioinformática
Conceito
	Estudo das interações entre as componentes de um sistema biológico, e como essas interações fazem emergir função e comportamento no sistema.
Ex: genes, enzimas e metabólitos numa via metabólica 
Introdução
Visão holistíca do entendimento da biologia.
Mas o que é holística?
ho.lís.ti.co (Definição dicionário)
	relativo ao holismo. Aquele que prega a compreensão integral dos fenômenos, não apenas das suas partes separadas.
Introdução
Holística para a biologia de Sistemas =
	Investigação da estrutura e dinâmica da função celular e do organismo ao invés de características de partes isoladas
Visão do organismo como um todo!
Funcionamento do organismo
Sistema complexo 
(vias metabólicas e reguladoras)
Sistema bioquímico do organismo estável
Condições ambientais invariáveis 
Sistema bioquímico do organismo robusto (ajustes)
Condições ambientais variáveis
Objetivos
	Combinar proteômica, transcriptômica, genômica e outros dados em um quadro integrado da estrutura, dinâmica, logística e, por fim, da lógica funcional dos organismos vivos (integração da informação em redes).
"Biologia Sistêmica é a Ciência de descobrir, modelar, entender e, em última instância, projetar as relações dinâmicas entre as moléculas biológicas que definem os organismos vivos“ (Leroy Hood).
Introdução
A conectividade entre as vias metabólicas pode ser analisada através de instrumentos matemáticos como grafos, fluxos e vazões;
A biologia de sistemas descreve as interações metabólicas e reguladoras em termos de redes de interações (física: proteína-proteína; proteína-ácido nucléico, e lógica: cascatas de controle)
Redes e grafos
As redes possuem a forma de grafos
Matematicamente um grafo consiste em um conjunto de vértices (V) e um conjunto de arestas (E)
Cada aresta é especificada por um par de vértices
V
E
Grafos podem ser:
	Orientado: indica o fluxo, ex. via metabólica
 Rotulado: indicar distâncias, ex. árvore filogenética
Redes e grafos
Grafo conexo: um grafo que contenha um caminho entre dois vértices quaisquer. Ex: árvores filogenéticas;
Densidade de conexões: fator importante na definição das propriedades de uma rede (ex: epidemias)
Propriedade fundamental da rede: conectividade
Redes e grafos
Sistemas biológicos: redes robustas: plasticidade necessária à evolução: redundância de substituição (na perda de uma proteína, substituição por homóloga ou produto de duplicação gênica) e redundância distribuída (mesmo efeito obtido por rotas diferentes)
Estrutura e dinâmica de redes
 
As redes devem representar a dinâmica real dos processos metabólicos;
Representar a estabilidade de redes complexas (redundância de processos de controle = base da estabilidade);
Regulação: resultado de muitos mecanismos individuais de controle: Ações independentes de cada um dos sinais individuais se combinam para atingir um resultado global integrado.
Estados de uma rede de processos:
Equilíbrio (processos em taxas compensatórias)
Estacionário (Produção = consumo)
Estados que variam periodicamente (regulação do ciclo celular, ritmo cicadiano, mudanças sazonais)
Desencadeamento de programas de desenvolvimento (ao longo da vida)
Estáveis (mudanças lentas, boas respostas a pequenas variações externas)
Caóticos (pequenas variações com grandes respostas. Ex: tempo)
Descontrole ou divergência (Perda do controle => câncer)
Inativação (apoptose)
Redes de interações de proteínas
Unidades que formam as redes de interação:
Redes físicas: complexo proteína-proteína/ proteína- ácido nucléico
Redes lógicas: conexão dinâmica na qual a atividade de um processo é afetada pelo ambiente ou por outros processos
Técnicas de detecção de interações físicas:
 Raio-X e NMR (estrutura física de proteínas);
 Duplo híbrido (interação entre proteínas, e estudo de seus domínios);
 Imunoprecipitação de cromatina (identifica sequencias de DNA que se ligam a proteínas).
...
Métodos geralmente estudam interações par a par: Desafio: integrar as informações (estrutura e dinâmica do sistema).
Redes reguladoras
Componentes das redes reguladoras:
Rede de transdução de sinais (rápida - seg)
Rede de controle transcricional (lenta- min)
 
Um único sinal pode disparar uma ou muitas respostas
Uma única resposta pode ser controlada por um único sinal ou vários
Cada resposta pode ser estimuladora ou inibidora
A transmissão de sinais pode diminuir um estímulo ou amplificá-lo
Estruturas das redes reguladoras:
 Agrupamento de atividades, mediadas pela união física de macromoléculas. Tendem a ser:
Unidirecionais (grafos orientados);
 Possuem um componente lógico;
 Produzem padrões dinâmicos (combinação de sinais)
Bioinformática
Desenvolvimento de ferramentas para lidar com a enorme e crescente quantidade de dados armazenados em bases de dados;
 Objetiva agrupar e comparar os dados, para obter informações sobre moléculas individuais em comparação com moléculas semelhantes e a interação entre elas;
 Simulação da interação entre átomos e moléculas e predição de vias metabólicas => construção de modelos teóricos.
Metodologias envolvidas na biologia de sistemas
 Tudo começa com uma pergunta:
Ex:
 Como sao formadas as organelas de uma célula?
 Quais os genes regulatórios que garantem a diferenciação apropriada durante a embriogênese?
 ...
Metodologias envolvidas na biologia de sistemas
A reposta depende de:
Um sistema modelo e um conjunto de abordagens experimentais e computacionais, que deve ser escolhido. 
Eficacia de um sitema modelo: suficientemente complexo para que inferências feitas sobre os seus mecanismos e processos sejam generalizáveis​​, mas suficientemente simples para que seja passível de investigação detalhada usando tecnologias disponíveis.
Metodologias envolvidas na biologia de sistemas
Modelo de sistemas:
Conjuntos de dados globais e análises;
 Integração entre vários tipos de dados;
Modelagem estatística;
 Perturbações Experimentais;
Testes interativo hipóteses e os ciclos de construção de modelos
Instituto de Biologia de Sistemas
cutting-edge technologies = tecnologias de ponta
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Nature
Nature
Nature
Murein: peptidoglicano que confere resistência a parede celular das bactérias
Páginas web interessantes
http://www.systemsbiology.org/Intro_to_Systems_Biology/Methodologies_of_Systems_Biology
http://baliga.systemsbiology.net/drupal/education/
 http://www.issb.org/
 http://www.biomedcentral.com/bmcsystbiol 
 http://www.nature.com/msb/index.html 
Vídeo interessante
http://www.overstream.net/view.php?oid=upmfubafidu7