Universidade Federal de Pelotas Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel Programa de Pós-Graduação em Agronomia CENTRO DE GENOMICA E FITOMELHORAMENTO

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1 Universidade Federal de Pelotas Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel Programa de Pós-Graduação em Agronomia CENTRO DE GENOMICA E FITOMELHORAMENTO Introdução à Bioinformática Professores: Luciano Maia Antonio Costa de Oliveira

2 Introdução Parte 1

3 A informação... =

4 A informação... ANIMAIS DOMESTICAÇÃO CIVILIZAÇÕES

5 A informação... PLANTAS DOMESTICAÇÃO CIVILIZAÇÕES

6 A informação... DOMESTICAÇÃO/CIVILIZAÇÕES SELEÇÃO TÉCNICAS HOMEM MODERNO

7 A informação... CIVILIZAÇÃO/TECNOLOGIA HOMEM MODERNO/GRANDES CIDADES SAÚDE

8 ... HOJE!!!...

9 Demandas atuais...alimentação PLANTAS ANIMAIS melhoramento pesticidas nutrição AUMENTO PRODUÇÃO melhoramento vacinas fármacos AUMENTO PRODUÇÃO??!! ac ac Períodos Melhoramento convencional Biotecnologia

10 INTRODUÇÃO DIPLÓIDE CRUZAMENTOS x NÚMERO DE GENES NÚM. CLASSES CLASSES NÚM. NÚM. CLASSES DE TAM. MIN. FENOT. FENOT. GENES GAMETAS GENOTIPOS POP. PERF. C/ DOM. S/D, S/EP F 1 F 2 F 2 F 2 F n 2 n 3 n 4 n 2 n 3 n

11 Demandas atuais...saúde HOMEM vacinas fármacos

12 Agricultura + Saúde = Genética DESAFIO PARA FUTURO PRODUÇÃO VEGETAL IMPOSSÍVEL EXPANSAO DE AREAS AGRICOLAS necessário aumento da qualidade/produtividade estresse abiótico/biótico impedir expansão em regiões de florestas PRODUÇÃO ANIMAL TENDENCIA DE AUMENTO NA PRODUÇÃO INTENSIVA necessário aumento da qualidade/produtividade aumento no aparecimento de novos problemas sanitários??!! SAÚDE MELHORIA NA QUALIDADE DE VIDA patologias complexas SAÚDE AGRICULTURA METODOLOGIAS CONVENCIONAIS DEFICIENTES PARA RESOLVER ALGUMAS DESTAS DEMANDAS!!?? NECESSIDADE DE UM NOVO MODELO CIENTIFICO??

13 Agricultura + Saúde = Genética + Biotecnologia DESAFIO PARA FUTURO SAÚDE AGRICULTURA BIOTECNOLOGIA GENÔMICA PROTEÔMICA...ÔMICAs...

14 Agricultura, Saúde e a Genética...BIOTECNOLOGIA O que muda?! = passado Hoje e amanhã... Buscar uma agulha num palheiro! Buscar muitas agulhas em muitos palheiros!

15 Agricultura, Saúde e a Genética...BIOTECNOLOGIA PROBLEMA SAÚDE AGRICULTURA BIOINFORMÁTICA SOLUÇÃO

16 Mas se este modelo de pesquisa é tão promissor, qual é a razão da bioinformática ser uma aparente novidade?

17 UMA BREVE RETROSPECTIVA... ciências convergentes...

18 Histórico - Ciências convergentes... duas ciências emergem! Mendel Darwin Hollerith 10 anos para calcular o senso dos USA

19 Histórico - Ciências convergentes... grandes descobertas! DNA- invisível ENIAC 30 toneladas 160 m cálculos/segundo 200 k memória Frederick Sanger - Nobel Prize (1958) Sequenciou os amidoácidos Insulina em 1955

20 Histórico - Ciências convergentes... Anos 70 Frederick Sanger - Nobel Prize (1980) Método Dideoxy, seqüenciamento DNA IBM MainFrame Southern Blotting DNA (1975)

21 Histórico - Ciências convergentes... Anos 70 Na década de 1970 a unidade básica de armazenamento de informação era o kilobyte bytes (1024 caracteres) Um computador de grande porte daquela época tinha alguns kbytes de memória Com tal memória um computador desses não seria capaz de processar nem sequer o genoma de um vírus, que pode chegar a 20 kilobases (20 mil letrinhas); que dirá o genoma humano, com seus 3 bilhões de letrinhas

22 Histórico - Ciências convergentes... Anos 80 IBM PC KB de RAM 4,7 MHz Apple 4 KB RAM 1 MHz 3,4 GB/ 4 KB = 850 APPLE para ler o genoma humano 3,4 GB / 16 KB = 212 PCs para ler o genoma humano

23 Histórico - Ciências convergentes... Anos David Botstein - Massachusetts Institute of Technology, Ronald Davis of Stanford University Mark Skolnick and Ray White of the University of Utah method to map the entire human genome based on RFLPs 1987 Mullis and Faloona Saiki et ali (Science) Primer-Directed Enzymatic Amplification of DNA with a Thermostable DNA Polymerase Burke and Carle, develop YACs for cloning 1987 DuPont scientists develop a system for rapid DNA sequencing with fluorescent chain-terminating dideoxynucleotides Applied Biosystems first automated sequencing machine based on Hood's technology

24 Histórico - Ciências convergentes establishes the Office of Human Genome Research, (Watson head group) 1991 Venter strategy to find expressed genes, using ESTs (Science ) Uberbacher develops GRAIL- first of many gene-finding programmes David Lipman NCBI BLAST algorithm for aligning sequences 1992 Simon et al. develop BACs for cloning. enfim...toda estrutura arrumada!!!!!

25 Seqüenciando...A MATÉRIA PRIMA PARA A BIOINFORMÁTICA

26 Sequenciando... Organizando as letrinhas...empregando A BIOINFORMÁTICA IN VITRO IN SILICO

27 Enfim...a informação disponível Pentium II 64 Mb RAM 233 MHz 3,4 Gb / 64 Mb = 53 Pentium II para ler o genoma humano

28 Enfim...a informação disponível IBM Deep Blue 30 GB RAM 3,4 Gb / 30 G = 0,11 maquinas para ler o genoma humano

29 Enfim...o genoma Venter et al. Colins et al. CELERA NIH/HGP TÉRMINO ABRIL % ABRIL 2000 MONTAGEM JUNHO % JUNHO 2000 VARIANTES (SNP)

30 Origem e história da bioinformática ALINHAMENTO DE PROTEÍNAS

31 Origem e história da bioinformática Final dos anos NASA coleta informações sobre a atmosfera de Venus

32 Origem e história da bioinformática Final dos anos Com dados da NASA, Carl Sagan (Havard) e Lippincot (Maryland) orientam a tese de doutorado em Fisico-Quimica de Margaret Dayhoff, onde ela Desenvolve sistemas de computador para cálculos de bioquímica.

33 Origem e história da bioinformática

34 Origem e história da bioinformática Sanger the first complete sequence of a protein insulin also examined insulin from other species: pig, sheep, horse, etc.. In Vienna, Hans Tuppy (a student of Sanger), cytochrome c protein in horse, ox, pig, salmon, and chicken University of Cambridge Atlas of Protein Sequence and Structure in 1965 University of Maryland - National Biomedical Research Foundation (NBRF)

35 Origem e história da bioinformática ALINHAMENTO DE NUCLEOTÍDEOS

36 Origem e história da bioinformática The PDP-11 was a series of 16-bit minicomputers sold by Digital Equipment Corp. from 1970

37 Origem e história da bioinformática

38 Origem e história da bioinformática Atlas of Protein Sequence and Structure in 1965 National Biomedical Research Foundation (NBRF) Protein Information Resource (PIR) 1984 Theoretical Biology and Biophysics Los Alamos 1974 Tradução Proteínas > nucleotídeos Nucleotídeos > proteínas Primeira versão do GenBank 1979 NCBI 1984

39 Origem e história da bioinformática Atlas of Protein Sequence and Structure in 1965 Primeiro programa de alinhamento National Biomedical Research Foundation (NBRF) Theoretical Biology and Biophysics Los Alamos 1974 Protein Information Resource (PIR) 1984 Primeira versão do GenBank 1979 NCBI COMO DISPONIBILIZAR AS INFORMAÇÕES?????

40 Conexão entre Laboratorios

41 As bases técnicas da Bioinformática...

42 As bases técnicas da Bioinformática... chegada da internet BANCOS DE DADOS ON-LINE

43 Genomas... Organismo tamanho genes ano Escherichia coli 4,600,000 bp 4, Saccharomyces cerevisiae 12,100,000 bp 6, Caenorhabditis elegans 97,000,000 bp 19, Drosophila melanogaster 180,000,000 bp 25, Homo sapiens 3,400,000,000 bp 30, Arabidopsis thaliana 100,000,000 bp 25, Oryza sativa 389,000,000 bp 37, GENOMAS ON-LINE

44 O ESTADO DA ARTE

45 BIOINFORMÁTICA... A Bioinformática é uma sub-área da biologia computacional, na qual é necessário o conhecimento de varias áreas do saber; envolvem a ciência da computação, a matemática, a estatística, a física e principalmente entendimento dos processos químicos biológicos e genéticos dos organismos. Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis David Mount - Cold Spring Harbor Laboratory, EUA

46 As bases técnicas da Bioinformática... NECESSIDADE DE SISTEMA OPERACIONAL ESTAVÉL / NETWORK SC UNIX (DÉCADA 70) BANCOS/ARPANET/UNIVERSIDADES MAINFRAMES MAC APPLE ARPANET >>INTERNET DIFICIL DE SER UTILIZADO MAIS SEGURO EXISTENTE UNIX LINUX

47 As bases técnicas da Bioinformática... Hardwares 1º GERAÇÃO (INICIO ANOS 90) MACINTOSH/APPLE (vendidos com sequenciadores) custo elevado dificuldade de manutenção dificuldade de uso (Sistema Operacional OS) SILICON GRAPHICS custo elevado sistema operacional IRIX 2º GERAÇÃO 2000 máquinas para processamento fora do seqüenciadores MAQUINAS INTEL LINUX, FREEBSD,UNIX menor custo MAQUINAS SUN MICROSYSTENS SOLARIS custo elevado software livre software proprietário

48 As bases técnicas da Bioinformática... MACINTOSH/INTEL SILICON GRAPHICS seqüenciadores proteomica / cristalografia ATUALMENTE GERENCIAMENTO DOS DADOS INTEL/SUN UNIX LINUX FreeBSD SOLARIS WINDOWS* BANCO DE DADOS SQL SERVER MYSQL derivados de SQL - WINDOWS - WINDOWS/UNIX/LINUX/SOLARIS/FreeBSD - WINDOWS/UNIX/LINUX/SOLARIS/FreeBSD PROGRAMAÇÃO C# - Portabilidade para todos SO (baixo nível) Perl - Padrão Ouro para Bioinformatica SH - linha comando Unix/Linux Fortran - cristalografia/proteomica Pascal - Interface facil para Windows/Linux (baixo nível)

49 UMA NOVA ÁREA DO CONHECIMENTO......JÁ CONSOLIDADA!

50 As bases técnicas da Bioinformática...

51 As bases técnicas da Bioinformática...

52

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