Esther Camilo 2013 esthercamilo@gmail.com

Graduação em Física Mestrado em Ciência dos Materiais

▪ Desenvolvimento de software

Doutorado (em andamento) em Genética

Reunir pessoas de diferentes áreas falando uma mesma linguagem.

• Capacitar os alunos a entenderem resultados de pesquisa em biologia sistêmica.

Ciência focada em compreender propriedades emergentes, isto é, propriedades que surgem a partir da interação entre os entes de um sistema.

Boltzmann, 1870

Piers Coleman, Making Connections, Nature 2007

1ª. parte (manhã): Construção, análise e medidas em redes

biológicas. 2ª. Parte (tarde): FBA (Flux Balance Analysis).

Rede de interações físicas entre proteínas

Proteínas interagem por diversos motivos: - formar complexos - modificações pós-traducionais

Rede de interações físicas entre proteínas

A – B A – C A – D B – C C – D

C

D

A

B

Teoria dos Grafos

nodos

arestas

Rede de regulação gênica

A B

Grafo direcionado

Rede de regulação gênica

A – B A – C A – D B – C C – D

C

D

A

B

Rede metabólica

As reações que ocorrem em uma célula são catalisadas por enzimas.

O produto de uma reação pode ser utilizado

por outra reação.

From http://en.wikipedia.org/wiki/File:Glycolysis2.svg in May/2013

GLICÓLISE

Hexokinase P.isomerase

GLICÓLISE

From http://en.wikipedia.org/wiki/File:Glycolysis2.svg in May/2013

Richard M. Locksley, Cell, Feb-2001

P53 – proteína supressora de tumor

Rede de Sinalização

Depende da escala do problema Para escala genômica: redes booleanas medidas de centralidade FBA

Depende da escala do problema Poucas vias: todos os outros equações diferenciais

Grandeza booleana = T/F 0/1 on/off Se um gene está expresso (1); se está silenciado (0).

C

D

A

B

1 – 0 – 0 – 0

C

D

A

B

1 – 1 – 0 – 1

C

D

B

1 – 1 – 1 – 1

A

Bibliografia

Stuart Kauffman Origins of order

Christian De Duve Blue Print for a cell

Degree Betweeness

Gene Essencial: quando silenciado ou deletado torna o organismo inviável

Letalidade Sintética: duplos mutantes tornam o organismo inviável. Robustez.

Condicionalmente essencial

Letalidade sintética

Ciclo de vida da Saccharomyce cerevisae

d c b a

x y w u

t s r q

p o n m

l k j i

h g f e

z

a

a

a

ABC abc X AaBbCc mating

sporulation

meiosis

ABC ABc AbC Abc aBC aBc abC abc

AaBbCc

39 mutantes de genes não essenciais

Array com 3968 mutantes de genes não essenciais

Marker dominant drug-resistent A

Marker dominant drug-resistent B

1- Qual a aplicação de Letalidade Sintética no estudo do Câncer?

2- É possível realizar experimentos de letalidade sintética em bactérias?

FBA

É um método matemático para simular o metabolismo em escala genômica.

É barato do ponto de vista computacional

Bernhard Palsson

Reconstrução de redes metabólicas em escala genômica

Contém todas as reações metabólicas conhecidas no organismo e

os genes que codificam cada enzima.

O FBA calcula o fluxo de metabólitos através dessa rede tornando

possível a predição da taxa de crescimento do organismo ou a taxa

de produção de um metabólito tecnologicamente importante.

Reconstrução de redes metabólicas em escala genômica

Os princípios delineados aqui podem ser aplicados em muitos

outros contextos para analisar o fenótipo e potencialidades de

organismos submetidos a diferentes perturbações genéticas e

ambientais.

Modos de fluxo elementar: é um conjunto mínimo de enzimas que pode operar num estado estacionário com todas as reações irreversíveis usadas em direções apropriadas. A distribuição de fluxos num organismo vivo é uma combinação linear desses modos elementares.

metabólitos

reações

O que a FBA precisa:

Reações metabólicas com as entradas e saídas desejadas Restrições

(Equações estequiométricas)

O que o FBA fornece:

Taxa de produção de determinado produto

O que a FBA precisa:

Reações metabólicas com as entradas e saídas desejadas Restrições

Suponha que nós queremos calcular o máximo crescimento aeróbico da E.coli em glicose - isto é, a glicose, e não o oxigênio está limitando seu crescimento. Este cálculo pode ser feito usando-se as reações as quais representam a captura de glicose e oxigênio. Isto é representado matematicamente configurando a taxa máxima de captura de glicose (18,5 mmol) e configurando a taxa máxima de oxigênio em nível arbitrário, tal que não limite o crescimento. Aplicando-se programação linear, a taxa de crescimento predita é 1,65/h. O crescimento anaeróbico da E.coli pode ser calculado restringindo a captura de oxigênio e resolvendo-se um sistema de equações o que resulta numa taxa predita de 0,47/h.

Sistema aberto

Não fornece a concentração de metabólitos, pois simula o estado estacionário.

Toda reconstrução metabólica é incompleta.

Esse problema pode ser uma solução pois se a taxa de produção não está de acordo com dados experimentais é possível fazer uma previsão de reações que estão faltando.

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <sbml level="2" version="3" xmlns="http://www.sbml.org/sbml/level2/version3"> <listOfSpecies> <species compartment="cytosol" id="ES" initialAmount="0" name="ES"/> <species compartment="cytosol" id="P" initialAmount="0" name="P"/> <species compartment="cytosol" id="S" initialAmount="1e-20" name="S"/> <species compartment="cytosol" id="E" initialAmount="5e-21" name="E"/> </listOfSpecies>

Fosforilação, ubiquitinação, metilação , etc.

Quiz 1 : Câncer

P(C) = 0,01

P(¬C) = ____

P(+|C) = 0,9

P(- |C) = ____

P(+|¬C) = 0,2

P(- |¬C) = ____

C

T1

Modo gráfico:dois testes

P(C|+) =_____

Quiz 1 : Câncer

P(C) = 0,01

P(¬C) = 0,99

● P(+|C) = 0,9

● P(- |C) = 0,1

● P(+|¬C) = 0,2

● P(- |¬C) = 0,8

C

T1 T2

Modo gráfico:dois testes

P(C|+) = 0,045

Agora que você já sabe o que é biologia

sistêmica, tente imaginar como sua pesquisa

pode se beneficiar tanto experimentalmente

quanto computacionalmente desse ramo da

Ciência.

Estatística Linguagem de programação (Python ou R) https://www.coursera.org/ https://www.udacity.com/

esthercamilo@gmail.com