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Samuel Samuel MazzinghyMazzinghy AlvarengaAlvarenga
FepagroFepagro emem focofoco
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HistóricoHistórico recenterecente dada AgropecuáriaAgropecuária
�� Era científica: a partir de ~ 1.700Era científica: a partir de ~ 1.700
• Rotação de culturas e métodos de cultivo
intensivo
• Drenagem
• Uso do calcário no solo
• Utilização de arado, máquinas semeadoras
e colheitadeiras
• Máquinas a vapor substituindo a força animal
• Desenvolvimento de pesticidas e fertilizantes
• Aperfeiçoamento de máquinas agrícolas
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HistóricoHistórico recenterecente dada AgropecuáriaAgropecuária
• Melhoramento vegetal e da pecuária
• Tecnologia do DNA
• Cultura de tecidos
• Desenvolvimento de vacinas animais
�� Era científica: a partir de ~ 1.700Era científica: a partir de ~ 1.700
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NovasNovas tecnologiastecnologias
�� A era A era genômicagenômica: novas possibilidades para a agropecuária: novas possibilidades para a agropecuária
Estrutura do DNAEstrutura do DNA
Necessidade de Necessidade de
mais informaçõesmais informações
Sequenciamento Sequenciamento
de DNAde DNA
Dados Dados genômicosgenômicos em larga escalaem larga escala
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GENÔMICA GENÔMICA FUNCIONALFUNCIONAL
GENÔMICA GENÔMICA ESTRUTURALESTRUTURAL
GENÔMICA GENÔMICA COMPARATIVACOMPARATIVA
GENÔMICAGENÔMICA
AA ciênciaciência genômicagenômica
�� As áreas da As áreas da genômicagenômica
Genômica: Estudo de todo conteúdo genético de um organismo
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DNA
Proteínas
Fenótipo
Resistente Suscetível
�� GenômicaGenômica funcionalfuncional
AA ciênciaciência genômicagenômica
• Funções dos genes
• Padrão de expressão dos genes
- Condições bióticas
- Condições abióticas
- Estágios de desenvolvimento
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�� GenômicaGenômica estruturalestrutural
AA ciênciaciência genômicagenômica
• Organização e estrutura dos genes
• Mapeamento genético
• Mapeamento físico
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�� GenômicaGenômica comparativacomparativa
AA ciênciaciência genômicagenômica
• Micro, macrossintenia e colinearidade
• Regiões duplicadas
• Evolução
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1995: Primeiro genoma completo 1995: Primeiro genoma completo
(organismo vivo)(organismo vivo)
Haemophilus influenzae, Haemophilus influenzae, 1830 Kb 1830 Kb
AA eraera genômicagenômica
Bactéria causadora de doenças como meningite e pneumonia
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19971997: : Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces cerevisiae, 12069 Kb. 12069 Kb. NatureNature 387,5387,5--105105 19971997--
0505--29 29
19971997:: EscherichiaEscherichia colicoli, 4639 Kb. , 4639 Kb. ScienceScience 277,1453277,1453--14741474 19971997--0909--05 05
19981998:: Caenorhabditis Caenorhabditis eleganselegans, , 100272 Kb. 100272 Kb. ScienceScience 282,2012282,2012--20182018
19981998--1212--1111
20002000:: DrosophilaDrosophila melanogastermelanogaster, , 137000 Kb. 137000 Kb. ScienceScience 287,2185287,2185--9595 20002000--
0303--2424
20002000:: Arabidopsis Arabidopsis thalianathaliana, , 115428 Kb. 115428 Kb. NatureNature 408,796408,796--815815 20002000--1212--1414
20012001:: Homo sapiens, Homo sapiens, 3200000 Kb. 3200000 Kb. NatureNature 409,860409,860--921921 20012001--0202--1515
AA eraera genômicagenômica
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AA eraera genômicagenômica
�� Tecnologias de sequenciamento em massaTecnologias de sequenciamento em massa
Plataforma Metodologia de
Sequenciamento
Geração
(tecnologia)
Throughput por
corrida
Tamanho dos reads
(pb)
3130xL-3730xL - ABI/Life Technologies Sanger, CE Primeira 1-2 Mb 900-1200
Genome Sequencer FLX System -
Roche/454
Pirosequenciamento Segunda 500 Mb 250-500
800 (?)
HiSeq 2000 Illumina/Solexa Síntese Segunda 3 Gb 150
5500xl SOLiD - ABI/SOLiD Ligação Segunda 4 Gb 25-35
HeliScope - Helicos SMS Terceira ~ 25 Gb 25-30
PacBio RS - Pacific Biosciences SMRT Terceira 40 Mb ~ 1000
Pesonal Genome Machine (PGM) - Ion
Torrent/Life Technologies
Síntese Terceira 10 Mb 100-200
In house lab built instrumentation -
Complete Genomics
cPAL Terceira Promessa de 80
genomas por dia
10
gridION - Oxford Nanopore Nanoporos Quarta Não quantificado Não quantificado
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�� GenBankGenBank emem 15 de 15 de AgostoAgosto de 2012 (de 2012 (últimaúltima versãoversão))
143 bilhões de bases
156,4 milhõesde sequências
AA eraera genômicagenômica
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�� NúmerosNúmeros do do GenBankGenBank
1.738.524.500 bases (2.293.823 sequências) depositadas entre junho
e agosto/2012
AA eraera genômicagenômica
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1,00E+00
1,00E+01
1,00E+02
1,00E+03
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
1,00E+10
1,00E+11
1,00E+12
82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
N.
de
se
qu
ên
cia
s e
ba
ses
de
po
sita
da
s
Ano
Depósito de sequências no GenBank
Sequências Pares de Base Exponencial (Sequências) Exponencial (Pares de Base)
�� CrescimentoCrescimento dada quantidadequantidade de dados de dados genômicosgenômicos
AA eraera genômicagenômica
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�� Número de genomas publicados atualmenteNúmero de genomas publicados atualmente
Projetos completos: 3.705
Projetos incompletos: 14.551
�� Dados Dados atualizadosatualizados emem 31 de 31 de agostoagosto de 2012 de 2012
AA eraera genômicagenômica
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A era A era genômicagenômica trouxe um tipo de dado e uma quantidade de trouxe um tipo de dado e uma quantidade de informação que só é possível ser analisada com o auxílio de informação que só é possível ser analisada com o auxílio de
ferramentas deferramentas de bioinformáticabioinformática
AA BioinformáticaBioinformática nana GenômicaGenômica
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AA BioinformáticaBioinformática nana GenômicaGenômica
• Recursos computacionais para realizar análises de dados biológicos
�� Bioinformática: Bioinformática:
QuímicaQuímica
FísicaFísica
GenéticaGenética
EstatísticaEstatística
BiologiaBiologia
InformáticaInformática
BioquímicaBioquímica
Biologia Biologia MolecularMolecular
MatemáticaMatemática
EngenhariaEngenharia
• Envolve o conhecimento de várias áreas
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AA BioinformáticaBioinformática nana GenômicaGenômica
�� É preciso MONTAR o genomaÉ preciso MONTAR o genoma
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AA BioinformáticaBioinformática nana GenômicaGenômica
�� É preciso ANOTAR o genomaÉ preciso ANOTAR o genoma
“Sopa de letras”: sequências “Sopa de letras”: sequências obtidas pelos projetosobtidas pelos projetos
Bancos de dados: acervo de Bancos de dados: acervo de sequências conhecidassequências conhecidas
SequênciaSequência vinculada a um vinculada a um significado biológicosignificado biológico
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�� É preciso ANALISAR o genomaÉ preciso ANALISAR o genoma
• Mapeamento
• Evolução
• Sequenciamento
• Análise Estatística
• Redes Gênicas
• Estrutura de DNA, RNA
AA BioinformáticaBioinformática nana GenômicaGenômica
• Modelagem Molecular• Comparação de Estruturas• Expressão Gênica• Redes Metabólicas• Bancos de Dados• Filogenia• Análise de sequências• Etc...
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• Informação evolutiva: genes homólogos, frequências dos alelos, ...
• Informação genômica: localização no cromossomo, introns, regiões reguladoras, ...
• Informação estrutural: estruturas da proteína correspondente, tipos de folds, domínios estruturais, ...
�� Informações relevantesInformações relevantes
• Informação de expressão: expressão específica a um dado tecido, fenótipos, doenças, ...
• Informação funcional: função molecular/enzimática, papel em diferentes rotas, papel em doenças, ...
• Etc...
AA BioinformáticaBioinformática nana GenômicaGenômica
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� Clonagem de genes específicos por mapeamento (genômica estrutural)
BioinformáticaBioinformática ee AgropecuáriaAgropecuária GenômicaGenômica
� Genômica comparativa entre organismos modelos e espécies de interesse agropecuário
� O melhoramento de culturas importantes pode se beneficiar de informações obtidas a partir de espécies modelo
� Ampliação da base de conhecimento sobre o processo evolutivo da espécie (genômica comparativa)
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� Alimentação de bancos de dados genômicos para estudos futuros
BioinformáticaBioinformática ee AgropecuáriaAgropecuária GenômicaGenômica
� Desenvolvimento de marcadores moleculares para genes de interesse
� Descoberta/identificação de novos genes de valores agropecuários (genômica funcional)
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BioinformáticaBioinformática ee AgropecuáriaAgropecuária GenômicaGenômica
� Genômica funcional da relação parasita-hospedeiro
• Seleção de genes candidatos adequados para manipulação para melhorar a resistência e/ou diminuir a suscetibilidade do hospedeiro
• Predição de ganhos genéticos
• Melhor entendimento sobre a rede biológica hospedeiro-parasita
• Novas abordagens para a promoção da resistência do hospedeiro a parasitas agronômicos
• Ampliação do conhecimento a respeito do modo de infecção do parasita
• Desenvolvimento de novas formas de controle de parasitas (pesticidas e vacinas mais específicos, sem “efeitos colaterais” e mais eficientes)
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BioinformáticaBioinformática ee AgropecuáriaAgropecuária GenômicaGenômica
� Microorganismos
• Identificação de genes envolvidos com promoção do crescimento vegetal
• Desenvolvimento de novos compostos para a agricultura
• Abordagem METAGENÔMICA
Análise em larga escala de genomas de microorganismosno seu habitat natural (solos, rios, ar), uma vez que 99%dos microorganismos são de difícil cultivo (ou impossíveisde serem cultivados) e praticamente desconhecidos
• Expansão da compreensão sobre os processos metabólicos presentes no ambiente
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�� Sumarizando... Agropecuária + Sumarizando... Agropecuária + GenômicaGenômica + + BioinfoBioinfo::
• Informação em larga escala (um gene raramente trabalha sozinho...)
• Análise detalhada do genoma (regiões conservadas, mutações, inferências
evolutivas, etc...)
• Sequenciamento de genes/genoma (rapidez, acessibilidade crescente e geração de
dados em grande quantidade)
• Atribuição de função aos genes (bancos de dados cada vez maiores e mais
informativos)
BioinformáticaBioinformática ee AgropecuáriaAgropecuária GenômicaGenômica
• Transferência/aproveitamento de informações por comparação (um
organismo se beneficia de informações atribuídas a outros organismos relacionados e vice-versa)
• Ganho de tempo em pesquisas/testes laboratoriais e em campo (aceleração na obtenção de resultados)
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PerspectivasPerspectivas
Genoma
Proteoma
Metaboloma
Interactoma
ReactomaOutras “ômicas”
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