Bioinformática. Licenciaturas em Biologia, Bioquímica, Biotecnologia, Ciências Biomédicas, Engenharia Biológica. João Varela

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1 Bioinformática Licenciaturas em Biologia, Bioquímica, Biotecnologia, Ciências Biomédicas, Engenharia Biológica João Varela

2 Docentes Paulo Martel (alinhamentos, pesquisas de sequências em bases de dados, bioinformática estrutural) João Varela (bioinformática: conceitos, bases de dados, aplicações, pesquisa de ORFs e suas funções, anotação de sequências, uso da ferramenta Annothaton, intrões e exões, localização intracelular, optimização de PCR). Rita Castilho (Filogenética)

3 Competências Conceito de ORF, pesquisa de ORFs em sequências nucleotídicas (JV) Previsão da localização de genes em genomas e metagenomas (JV) Bioinformática aplicada à taxonomia molecular (JV e RC) Estimação de massa molecular de proteínas e ácidos nucleicos (JV) Alinhamentos de sequências: ferramentas e aplicações (PM e JV) Construção de árvores filogenéticas: modelos, ferramentas e aplicações (RC) Previsão da função de genes e/ou proteínas por pesquisa de domínios funcionais (JV) Previsão da estrutura de proteínas; previsão da função e compreensão dos mecanismos de acção de proteínas através da bioinformática estrutural (PM) Anotação de sequências de bases de dados via Annothaton (PM, JV, RC)

4 Avaliação - Bioinformática Exame teórico PM 40%, JV 47% e RC 13% Componente Prática - Anotação de 1 sequência metagenómica (Annotathon) não há grupos NOTA FINAL = 70% Teórica + 30% Prática Todas as aulas são obrigatórias, incluindo as teóricas, para alunos que têm a 1ª frequência à disciplina; segundo o regulamento de avaliação os alunos terão de ter 75% de assiduidade a todas as componentes.

5 Avaliação Fundamentos de Bioinformática Exame teórico PM 45%, JV 33% e RC 22% Componente Prática Exame escrito da componente prática PM 50%, JV25% e RC 25% NOTA FINAL = 70% Teórica + 30% Prática Todas as aulas são obrigatórias, incluindo as teóricas, para alunos que têm a 1ª frequência à disciplina; segundo o regulamento de avaliação os alunos terão de ter 75% de assiduidade a todas as componentes.

6 Bioinformática: Conceito Bioinformática - campo interdisciplinar da Biologia, Ciências Informáticas, Matemática e Estatística para analisar dados de sequências biológicas e genomas (genes e disposição de genes em cromossomas) e prever a estrutura e função de macromoléculas

7 Bioinformática vs. Biologia Computacional Bioinformática desenvolvimento empírico de ferramentas práticas para gestão de dados (sequências, genomas) Biologia Computacional desenvolvimento de algoritmos eficazes para resolver problemas específicos (alinhamentos de sequências) com maior ênfase na correcção e eficiência

8 Algoritmo Conjunto de instruções bem definidas para resolver um problema; quando aplicado em informática, um algoritmo pode ser transformado em um programa e este numa aplicação informática

9 Algoritmo representado por um diagrama de fluxo Início Há luz? Sim Fazer algo Não Lâmpada fundida? Sim Substituir lâmpada

10 Bioinformática: para que serve? Limitação da mente humana em armazenar e processar informação devido a: Complexidade dos genomas Nº crescente de genomas sequenciados Nº crescente de anotações estruturais, funcionais e bibliográficas

11 Como resolver esta limitação humana? Aplicações computorizadas de armazenamento de dados: bases de dados Aplicações computorizadas de processamento de dados

12 Exemplo de Bases de Dados (sequências primárias de ácidos nucleicos e proteína com anotação básica) GenBank (NCBI, EUA) EMBL Nucleotide Sequence Database (Europa) DNA Data Bank of Japan (DDBJ, Japão)

13 Tipo de dados armazenados Sequências de DNA (desoxinucleótidos) Sequências de RNA (nucleótidos) Sequências de Proteína (aminoácidos) Anotações estruturais Anotações funcionais Anotações de localização intracelular Anotações de localização genómica Anotações bibliográficas

14 Exemplo de Bases de Dados (sequências primárias de ácidos nucleicos e proteína com anotação mais complexa) Ensembl (+ BioMart) (Genomas) UniProtKB/Swiss-Prot (Proteínas)

15 Exemplo de Bases de Dados (estruturas secundárias de proteínas - domínios funcionais) InterProScan ScanProsite

16 Estrutura Secundária e Domínios Funcionais Folhas β pregueadas héliceα

17 Domínios Funcionais Anotados (Ex: InterProScan Anotações estruturais e funcionais)

18 Como funciona a bioinformática em termos práticos? 1. Recolha de amostras (laboratoriais, ambientais) 2. Isolamento de DNA (ou RNA) [por vezes opcional] 3. Amplificação de sequências de DNA (ou cdna) por PCR [opcional] 4. Sequenciação de DNA 5. Armazenamento da sequência em ficheiros informáticos 6. Tratamento bioinformático das sequências

19 Recolha de Amostras Ambientais Annothaton: Amostras de água do mar

20 Recolha de Amostras Ambientais Annothaton: Amostras de água do mar (http://annotathon.univ-mrs.fr/)

21 Como funciona a bioinformática em termos práticos? 1. Recolha de amostras (laboratoriais, ambientais) 2. Isolamento de DNA (ou RNA) [por vezes opcional] 3. Amplificação de sequências de DNA (ou cdna) por PCR [opcional] 4. Sequenciação 5. Armazenamento da sequência em ficheiros informáticos 6. Tratamento bioinformático das sequências

22 Como funciona a bioinformática em termos práticos? 1. Recolha de amostras (laboratoriais, ambientais) 2. Isolamento de DNA (ou RNA) [por vezes opcional] 3. Amplificação de sequências de DNA (ou cdna) por PCR [opcional] 4. Sequenciação de DNA 5. Armazenamento da sequência em ficheiros informáticos 6. Tratamento bioinformático das sequências

23 Sequenciação de DNA O Método de Sanger baseia-se no uso de desoxinucleótidos artificiais em reacções de síntese de DNA (polimerização). dntp ddntp Desoxinucleótidos vs. Didesoxinucleótidos

24 Sequenciação de DNA Os didesoxinucleótidos bloqueiam a polimerização Ex: Uso de ddttp para gerar fragmentos de diferente tamanho terminando na posição das T

25 Sequenciação de DNA

26 Como funciona a bioinformática em termos práticos? 1. Recolha de amostras (laboratoriais, ambientais) 2. Isolamento de DNA (ou RNA) [por vezes opcional] 3. Amplificação de sequências de DNA (ou cdna) por PCR [opcional] 4. Sequenciação de DNA 5. Armazenamento da sequência em ficheiros informáticos 6. Tratamento bioinformático das sequências

27 Ficheiros Bioinformáticos Ficheiros de texto Ficheiros de DNA contêm letras que representam desoxinucleótidos Ficheiros de Proteína contêm letras que correspondem a aminoácidos Podem conter também notas explicativas sobre a sequência que se denominam: ANOTAÇÕES

28 Códigos de representação de sequências nucleotídicas em ficheiros bioinformáticos

29 Códigos de representação de sequências proteicas em ficheiros bioinformáticos

30 Formato de ficheiros de sequências nucleotídicas e a.a. FASTA FASTA-PEARSON NBRF GCG PIR GenBank PHYLIP ASN.1 PAUP

31 Formato FASTA Ficheiro de texto (ASCII) com: Linha de comentário iniciada por > Sequência (nucleotídica ou proteica) Terminação da sequência por * (opcional) Exemplo: > YCZ2_Yeast protein in HMR 3 region! MKAVVIEDGKAVVKEVGP*!

32 Formato de ficheiros de sequências FASTA FASTA-PEARSON NBRF GCG PIR GenBank PHYLIP ASN.1 PAUP

33 Formato GenBank Ficheiro de texto com: Cabeçalho (header) Anotações (features) Sequência

34 Formato GenBank: Cabeçalho

35 Formato GenBank: Anotações

36 Formato GenBank: Sequência

37 Como funciona a bioinformática em termos práticos? 1. Recolha de amostras (laboratoriais, ambientais) 2. Isolamento de DNA (ou RNA) [por vezes opcional] 3. Amplificação de sequências de DNA (ou cdna) por PCR [opcional] 4. Sequenciação de DNA 5. Armazenamento da sequência em ficheiros informáticos 6. Tratamento bioinformático das sequências (anotações)

38 Tradução virtual de sequências nucleotídicas em proteicas quadro de leitura aberto (open reading frame [ORF]) Quadros de leitura (reading frames)

39 Genómica vs. Metagenómica Organismo DNA Vários organismos (comunidade) DNA Sequenciação de DNA Sequenciação aleatória de DNA Sequência do genoma de um organismo Sequência de genomas de uma comunidade de organismos

40 Preparação para a aula teórico-prática Ir ao site ANNOTHATON Leiam a página Rule Book para ver o que tem que fazer nas aulas teórico-práticas

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