INTRODUÇÃO A BANCOS DE DADOS BIOLÓGICOS

FELIPE GUIMARÃES TORRES COORDENADO PELO PROF. MÁRCIO SOUSSA NÚCLEO DE SERVIÇOS TECNOLÓGICOS - NST

INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – CONTATO

FELIPE GUIMARÃES TORRES

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INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – AGENDA

1.  Biologia Básica 2.  Seres vivos 3.  Células 4.  DNA

5.  História do con- ceito de BDB.

6.  Evolução de Re- curso.

7.  Bancos de Dados Biológicos

8.  Arquitetura com- putacional de um BDB.

9.  Conceitos mate- máticos.

10. Prática. 11. TecJorge. 12. Referências.

BIOLOGIA BÁSICA

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Seres formados por células… Seres vivos…

Exceção dos vírus…

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Células

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Procarióticas…

NOME DO CURSO – NOME DO BLOCO INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – BIOLOGIA BÁSICA

Eucarióticas…

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Ácido desoxirribonucléico. Armazena informações genéticas em genes. São formados por monômeros conhecidos como nucleotídeos.

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Estrutura nucleotídica …

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Relações entre nucleotídeos…

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Estrutura do DNA

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Ligações entre nucleotídeos

Fosfodiéster…

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Ligações entre nucleotídeos

Pontes de Hidrogênio…

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Dogma central…

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HISTÓRIA DO CONCEITO BDB’S

1965 1970

1982

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Década de 60…

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Tempo 13 anos (1990 - 2003)

Custo U$3.8 bilhões

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INTRODUÇÃO ESTRUT. COMP. BANCO DE D. B. DADOS BIO. BANCO DE DADOS ATUAIS FERRAMENTAS

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SANGER ILLUMINA HISEQ2000

TOTAL DE BASES: 30~ 350 kb TEMPO DA CORRIDA: 15 HORAS CUSTO: U$1000/Mb

TOTAL DE BASES: 35 ~ 200 Gb TEMPO DA CORRIDA: 1.5 a 8 dias CUSTO: MENOS DE U$1/Mb

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GRÁFICO DE SEQUÊNCIAS NUCLEOTÍDICAS INSERIDAS NO GENBANK ENTRE 1995 A 2011.

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GRÁFICO DE SEQUÊNCIAS NUCLEOTÍDICAS INSERIDAS NO GOLD ENTRE 1997 A 2011.

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BANCOS DE DADOS BIOLÓGICOS

Banco de dados biológicos são locais computacionais para o armazenamento de dados biológicos.

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Sequências de DNA…

Sequências de Proteínas… Anotações…

Dados Biológicos

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Secundários… Especializados…

Tipos de BDB

Primários…

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Primários… Armazenam informações biológicas

originais.

Armazenam normalmente em arquivos de texto. Ex.: Fasta.

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Secundários…

Armazenam resultados de análises feitas a partir de dados primários.

Utilizam SGBD`s e estruturas computacionais mais complexas.

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ARQUITETURA COMPUTACIONAL DE UM BDB

Modelos de BD

Relacional…

Orientado a objeto….

Arquivo de texto….

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Relacional

Utilizando o conceito de keys…

Largamente utilizado e estável…

Planilhas que se relacionam…

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Relacional

Exemplo de modelo relacional…

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OO

Conceito melhorado de keys…

Maior facilidade na abstração…

Conceito abstrato de objeto…

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Orientado a objeto

Exemplo de modelo OO …

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CONCEITOS MATEMÁTICOS PARA ACESSO A DADOS

BIOLÓGICOS

Métodos de acesso… Estruturas de dados que podem ser

armazenadas em memória.

Utilizam SGBD`s e estruturas computacionais mais complexas.

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Hash Mapping

Armazena chave, valor e um ponteiro…

Alta performace em pesquisas id…

Conhecida como estrutura key-value…

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Hash Mapping

Exemplo de hash…

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Árvore de Sufixos

Resolve alguns problemas de similaridade…

Alta performace em textos…

Utilizado por aplicações para pesquisa…

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Matematicamente é…

Fórmula do prefixo e sufixo…

F = {α1, α2, ..., αn} F* = todas as sequências possíveis com o alfabeto F. T E F*. T = “TATA” c = |T| Logo: T[i:j] (1≤ i≤ j≤ c) T[1:j] = prefixo T[i:c] = sufixo

Prefixos Sufixos R[1:1] = “A” R[6:6] = “T” R[1:2] = “AG” R[5:6] = “AT” R[1:3] = “AGA” R[4:6] = “GAT” R[1:4] = “AGAG” R[3:6] = “AGAT” R[1:5] = “AGAGA” R[2:6] = “GAGAT” R[1:6] = “AGAGAT” R[1:6] = “AGAGAT”

R = “AGAGAT” |R| = 6

Sufixo e Prefixo…

Exemplo de prefixos e sufixos…

INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – CONCEITOS MATEMÁTICOS

Árvore de Sufixo…

INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – CONCEITOS MATEMÁTICOS

R = “AGAGAT”

PRÁTICA

Visual Suffix Tree…

Software para criação de suffix trees…

Linguagem Java utilizando o jGraph

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Visual Suffix Tree…

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• No HIV Databases estam armazenados dados de sequências de HIV, epitopos e testes para vacinas. • Este projeto foi fundado pela Division of AIDS of the National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) • Acesso disponível pelo link:

http://www.hiv.lanl.gov/content/index

HIV Databases INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – PRÁTICA

UNIPROT • Banco de dados de proteínas e informações funcionais. • O UNIPROT é um consórcio entre:

•  European Bioinformatics Institute (EBI). •  Swiss Institute of Bioinformatics (SIB). •  Protein Information Resource (PIR).

• Esse banco de dados integrou quatro bancos de dados em 2002. Swiss-Prot e TrEMBL (EBI e SIB) e PIR-PSD e iProClass (PIR). • Acesso disponível pelo link:

http://www.uniprot.org/

INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – PRÁTICA

PROTEIN DATA BANK • É um repositório de estruturas tri-dimensionais de proteínas e ácidos nucléicos. • A maioria das estruturas foram obtidas por cristalograma ou por espectroscopia por ressonância magnética. • A estrutura pode ser visualizada em 3D. • Acesso disponível pelo link: http://www.rcsb.org/pdb

INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – PRÁTICA

ENTREZ • O NCBI alberga dados provenientes da sequenciação de genomas no seu GenBank e mantém um índice de artigos de investigação biomédica que disponibiliza nas bases de dados PubMed Central e PubMed. • Todas as bases de dados estão disponíveis na Internet através do motor de busca Entrez. É um grande integrador de dados no NCBI. • Acesso disponível pelo link: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/gquery

INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – PRÁTICA

1. Xiong, J. (2006). Essential Bioinformatics. Cambridge University Press.

2. Andrzej Polanski and Marek Kimmel (1998). Bioinformatics. Springer.

3. Helen M. Berman, John Westbrook, Zukang Feng, Gary Gilliland, T. N. Bhat, Helge Weissig, Ilya N. Shindyalov and Philip E. Bourne (2000). The Protein Data Bank. Oxford University Press, Nucleic Acids Research, 2000, Vol. 28, No. 1

4. Robert Schleif, (1993). Genetics and Molecular Biology. Department of Biology The Johns Hopkins University Baltimore, Maryland. All rights reserved. Printed in the United States of America on acid-free paper.

5. Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts and Peter Walter, (2008). Molecular biology of the cell. Published by Garland science, Taylor & Francis Group, LLC, an informa business, 270 Madison Avenue, NewYork NY f 0016,USA,and 2 park Square,Milton park, Abingdon,OXl4 4RN,UK.

INTRODUÇÃO A BANCO DE DADOS BIOLÓGICOS – REFERÊNCIAS

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