DNA: o que é e por que é tão importante?

DNA. Três letras e uma sigla cada dia mais popular e bastante conhecida do público em geral. De programas de TV (teste de paternidade em programas de auditório) às salas de aula, todo mundo já ouviu falar.

Mas será que sabemos exatamente o que é o DNA??

Molécula de DNA. Fonte: Exame - Abril

A sigla quer dizer ácido desoxirribonucleico (em português o correto seria ADN, mas popularmente utilizamos a sigla em inglês). Mas isso não diz muita coisa, não é verdade?

O DNA em si nada mais é do que uma macromolécula orgânica e polimérica que armazena informação hereditária. Em outras palavras, um composto químico bem longo formado por monômeros, que são compostos químicos menores, encadeados. É justamente a ordem dos monômeros que define a informação que a molécula carrega. Esses monômeros, ou pequenos blocos de construção do DNA, chamados coletivamente de nucleotídeos ou bases nitrogenadas, são conhecidos por suas siglas A (Adenina), T (Timina), C (Citosina) e G (Guanina).

Molécula de DNA e formação do cromossomo.
Fonte: http://freepages.genealogy.rootsweb.ancestry.com/

Quimicamente, o DNA é uma cadeia de fosfatos e açúcares intercalados (ligado a bases nitrogenadas). Isso mesmo, a informação genética que você carrega dos seus pais nada mais é do que açúcares intercalados com fosfatos.

Mas o que faz dessa molécula algo tão importante?

Estrutura química do DNA. Fonte: http://www2.le.ac.uk

Primeiro temos que ter uma noção de escala. Estamos falando de moléculas realmente longas. Esses 4 monômeros se intercalam formando longas fitas, que em humanos formam cromossomos de até 220 milhões desses monômeros. O genoma humano completo, com todos os cromossomos, possui cerca de 3 BILHÕES de monômeros. Dá para imaginar então a quantidade de informação que essas bases encadeadas podem carregar? Para fins comparativos, seu computador com toda sua complexidade funciona com informações binarias, apenas zeros (0) e uns (1) encadeados. No DNA temos informação quaternárias (A, T, C, G). Por isso, atualmente, existem experimentos com objetivo de armazenar informação digital em moléculas de DNA.

Chamaremos a partir daqui cada monômero (nucleotídeo) de “pares de bases” (bp) pois a estrutura tridimensional do DNA é sempre composto por duas fitas complementares, interligados por pontes de nitrogênio. Cada base se liga a uma outra base na fita complementar, sempre da seguinte forma: A se liga apenas a T (e vice-versa) e C se liga sempre a G (e vice-versa). Portanto, quando você se refere a uma base nitrogenada numa fita de DNA, você automaticamente sabe a base da fita complementar, que formam um par.

Ok. DNA, polímero, açúcar, fosfato, bilhões de pares de bases. Mas como isso tudo vira informação dentro das nossas células? Ou melhor, como nossas células interpretam isso tudo?

Nossa célula é uma máquina orgânica, muito bem equipada. Ela é capaz de obter do meio externo uma série de monômeros de natureza química diversa e transformar em macromoléculas estruturais, que formam a célula e a maquinaria em si, além de tecidos e matriz extracelular, além de enzimas, que regulam todo o funcionamento do organismo, hormônios, etc. A maior parte dessas moléculas são na verdade, proteínas. E proteínas são, adivinhem? Polímeros, assim como o DNA. Porém, o “alfabeto” desses polímeros é ainda mais diverso do que as quatro “letrinhas” do DNA, sendo composto por até 20 letras (os monômeros aqui são aminoácidos). Alguns exemplos de proteínas importantes: melanina (pigmento da pele, cabelo e olhos), peptidase (enzima digestiva que faz com que a gente consiga digerir alimentos como carne, por exemplo), anticorpos (moléculas do sistema imune que nos defendem de doenças).

Moléculas de proteína e seus monômeros (aminoácidos).
 Fonte:http://www.areaciencias.com/quimica/proteinas.html

E o que o DNA tem a ver com isso? Bom, a ordem das bases nitrogenadas é o que em última instancia vai determinar a ordem dos aminoácidos nas proteínas. Ou seja, o DNA é manual de instrução que a célula usa para produzir proteínas que vão exercer funções diversas no organismo, sejam estruturais ou metabólicas.  É exatamente essa relação que chamamos de código genético. A grosso modo, cada 3 pares de base no DNA, irão codificar um aminoácido especifico. No meio desse processo ainda temos o RNA, que atua como mensageiro do código genético e transportador dos aminoácidos a serem incorporados na proteína em formação.  Essa trinca de bases nós chamamos de códons. Por exemplo: o códon formado pelas bases TCT irá codificar na proteína um aminoácido chamado serina.  

Tabela do código genético mostrando os códons que codificam cada aminoácido.
Fonte: http://protein.gsc.riken.go.jp/

Pequenos defeitos no DNA, ou mutações, em uma única letrinha, podem levar a produção de proteínas defeituosas, e consequentemente a doenças, que podem ser extremamente graves.

Dito isso, passamos a entender toda a importância das ciências genéticas e da genômica, sobre a qual venho escrevendo no último mês.

No próximo artigo falaremos sobre como é possível “ler” o DNA e a partir dessa leitura, inferir informações relevantes.

Spoiler: Não é possível usar um microscópio para identificar as bases. Elas são muito pequenas (mas podemos ver os cromossomos e longas fitas de DNA, entretanto sem conseguir identificar os monômeros que os compõem). Precisamos ser muito mais inventivos para conseguir tal façanha.

Até a próxima.

RC

Obesidade e o microbioma intestinal humano: qual a relação ?

Obesidade e sobrepeso vem se tornando um problema de saúde pública cada vez mais frequente em países desenvolvidos e em desenvolvimento. Em alguns países, o problema já é tratado como epidemia. A obesidade pode levar a doenças cardiovasculares, diabetes e outros problemas graves. Muitos são os fatores que levam uma pessoa a desenvolver obesidade, sendo em geral genética e alimentação os que sempre foram considerados os maiores vilões. Mudanças no estilo de vida, com as pessoas se tornando muito mais sedentárias, certamente contribuem bastante.

Mapa do problema global da obesidade. Fonte: http://news.bbc.co.uk/2/hi/health/7151813.stm

Recentemente, estudos de metagenomica e microbioma tem demonstrado que possivelmente estes não são os únicos fatores.

Em um post anterior, falamos sobre como nós somos um verdadeiro ecossistema, com milhares de espécies de microrganismos habitando diversas partes do nosso corpo, mas principalmente, os intestinos. Como sabemos, é nesse lugar onde acontece a maior parte da digestão e absorção de nutrientes em nosso corpo.

Tubo digestivo humano. Fonte: http://calorierestrictiondietplan.com/tag/gut-microbiome/

Recentemente, estudos demonstraram que a composição desses microrganismos intestinais é bastante diferente entre indivíduos magros e obesos. Espécies e gêneros de bactérias bem diferentes estão presentes nesses dois grupos.

Evolução ou involução ?
Fonte:http://darwinian-medicine.com/wp-content/uploads/2013/12/Evolution-of-Obesity.jpg

Isso levou a comunidade cientifica a ficar em polvorosa, porém, restava uma grande dúvida: a microbiota dos obesos estava causando a obesidade ou era causada pela obesidade?

Em ciência, quando observamos uma correlação, devemos ser cuidadosos ao tirar conclusões. Uma associação pode não implicar relação de causalidade, ou seja, não é porque muitos dos ratinhos obesos tinham bactérias diferentes no seu intestino, que necessariamente essas bactérias estavam fazendo eles ficarem obesos. Poderia ser o contrário, por serem obesos, bactérias diferentes estariam mais felizes nos intestinos dos gordinhos.

Então, um estudo muito sagaz e elegante foi realizado para tentar elucidar essa questão. Camundongos alimentados exatamente igual, vivendo em situação exatamente igual, que apresentavam pesos diferentes, foram utilizados no estudo.  Os que engordavam mais, tiveram as bactérias de seus intestinos coletadas, e transplantadas para o intestino dos magrinhos. E para felicidade geral de todos, os magrinhos começaram a engordar. Isso demonstrou um forte indicio de que as bactérias sim, facilitam o ganho de peso (lembrando que os fatores dieta e estilo de vida permaneceram inalterados durante o estudo).

Podem os micróbios tornarem você gordo?
Fonte: http://pt.slideshare.net/soulfulpathways/feel-better-already-microbiome-health

Este estudo abriu um amplo leque de possibilidades e teorias, que foram sendo testadas uma a uma. A primeira hipótese seria de que esse grupo de bactérias do grupo obeso, estaria ajudando a digerir os alimentos, facilitando assim a absorção pelo hospedeiro (o camundongo). Com isso, a quantidade de nutrientes absorvidas aumenta e por isso se ganha mais peso. Isso pode ser facilmente comprovado estudando o genoma dessa comunidade microbiana, buscando genes funcionais de enzimas digestivas, o que foi pouco a pouco sendo comprovado. Pode-se por outro lado buscar se esses mesmo genes estão ausentes ou pelo menos em menor abundancia nas bactérias dos magrinhos, o que facilmente também pode ser verificado.

Dieta, balanco energético e microbioma intestinal.
Fonte: http://images.slideplayer.com/6/1622515/slides/slide_3.jpg

A partir daí o céu foi o limite. Outras hipóteses surgiram, como por exemplo: estariam algumas doenças relacionadas ao microbioma? E adivinhem? Bingo. Doenças inflamatórias, diabetes tipo 2 e muitas outras parecem ter forte relação com o microbioma. Muitas linhas de pesquisa estão abertas no momento, e o objetivo geral é descobrir como remediar o microbioma, com o uso por exemplo de pró bióticos para combater obesidade e essas doenças.

Uma grande questão a ser investigada é: o que causa essa alteração na microbiota? Seria a dieta moderna? Seriam fatores genéticos determinantes? Ou até mesmo o uso indiscriminado de antibióticos?

No futuro, poderemos ter como rotina, além do sequenciamento do genoma individual, também a analise de microbioma, para que sejam realizados procedimentos médicos e nutricionais personalizados.

Grande época para estar vivo!!!

Até a próxima!!

Para quem quiser ler mais sobre o assunto, uma revisão em inglês: http://www.medscape.com/viewarticle/714569_2

Alguns outros textos em inglês:

http://www.huffingtonpost.com/gerard-e-mullin-md/gut-microbiome_b_7548632.html

http://care.diabetesjournals.org/content/38/1/159

Um pouco mais sobre o mundo invisível dos microrganismos: metagenômica.

No post anterior, falamos sobre o mundo invisível dos microrganismos e da importância dos mesmos na nossa vida. Mencionamos uma técnica nova chamada de metagenômica (ou genômica ambiental) e agora vamos tentar aprofundar um pouco mais nesse assunto.

Metagenomica respondendo as perguntas: Quem está aí? Fazendo o que ? Como estão fazendo? Fonte: http://www.cbs.dtu.dk/researchgroups/metagenomics/mg.jpg

Como visto no post anterior, apenas um pequeno percentual (de 1 a 10%) dos microrganismos que existem por aí podem ser cultivados em laboratório. Mas em primeiro lugar, como se cultiva microrganismo em laboratório?

Bom, esse é um assunto da microbiologia clássica: você precisa conhecer os requisitos básicos que esses seres precisam, como por exemplo, quais nutrientes e em quais quantidades, qual a concentração de oxigênio (ou gás carbônico) ele precisa, qual a temperatura na qual ele se desenvolve melhor, e por aí vai.

Meios de cultura sólido. Fonte: http://econolab.com.br/v2/wp-content/uploads/2013/04/meio-1024x272.jpg

Com esse conhecimento em mente, é possível desenvolver uma “receita” de meio de cultura (que pode ser líquido ou sólido) e colocar esses microrganismos dentro para que ele “cresça”, ou seja, se multiplique através de divisão celular (mitose). Um exemplo é a bactéria intestinal E. coli, muito estudada e conhecida, que se colocada em um meio de cultura adequado, sob agitação e a 37 graus, consegue se dividir em 20 minutos, gerando duas células novas, iguais a que as originou. Isso significa que mesmo que você isole uma única célula viva de um intestino, você consegue em algumas horas obter milhões delas, pois o crescimento é exponencial (porém não indefinidamente, pois os nutrientes e oxigênio se esgotam no meio de cultura após algum tempo).

Divisao celular assexuada. Fonte: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Reinos/Cissiparidade.php

Mas, em geral, microbiologia clássica conhece muito das bactérias de importância clínica (que causam doenças em humanos ou animais), pragas agrícolas e etc. Pouco se sabe das bactérias inofensivas (ou até mesmo benéficas) presentes nos mais diversos ambientes do nosso planetinha azul.

Elas simplesmente não se desenvolvem nos meios de cultura que sabemos fazer até agora. Então essa falta de conhecimento a respeito delas, dificulta justamente que se possa cultiva-las e estuda-las para então saber mais sobre elas, fechando um ciclo.

Bactérias "não cultiváveis" - do que elas precisam? Fonte: http://jb.asm.org/content/194/16/4151/F3.large.jpg

Então o que poderíamos fazer para contornar isso? Aquilo que nunca fazemos com os aparelhos eletrônicos que não sabemos utilizar: ler o manual de instruções!!

Células são máquinas naturais, que seguem instruções codificadas (em sua maioria) em seu DNA. Hoje temos técnicas para extração e estudo de DNA mesmo em quantidades mínimas, então a solução é parar de tentar cultivar e apenas pegar o material ambiental (solo, água do mar, água de algum rio, etc), e extrair e estudar diretamente esse DNA ambiental.

A partir daí, podemos sequenciar o DNA para analisar com técnicas de bioinformática, onde se pode predizer a função de genes, estudar sua evolução, remontar as vias metabólicas, etc, ou até mesmo clonar esse DNA ambiental, inserindo em bactérias conhecidas, com a E. coli, forçando as mesmas a sintetizar a proteína “estrangeira” recém inserida, e assim estudarmos a sua função.

A partir do desenvolvimento dessa técnica, um novo mundo, antes invisível se descortinou para nós. Descobrimos que somos um ecossistema completo, com muito mais espécies de bactérias em nosso microbioma do que o estimado anteriormente. Descobrimos que muitos remédios naturais, extraídos de plantas por exemplo, são na verdade produzidos por bactérias e fungos que habitam essas plantas, e descobrimos até mesmo que o nosso microbioma intestinal pode nos tornar mais propensos a obesidade ou diabetes. A eficiência do nosso sistema imune e consequentemente nossa saúde dependem fortemente dessa comunidade microbiana que nos habita. 

Microbioma Humano. Fonte: http://www.fireboxmedia.com/illustration/

Diversas aplicações podem surgir daí, como por exemplo, usos mais focados de pró-bióticos, no lugar de antibióticos. Ou até mesmo “transplantes” de microbiomas.

Falaremos mais sobre essas descobertas em um post futuro.

O fascinante e invisível mundo microbiano e suas aplicações em biotecnologia.

O mundo em que vivemos é dominado pelos microrganismos. Bactérias, fungos, protozoários. Eles estão presentes em virtualmente todos os ambientes, inclusive os mais extremos, como em fontes termais onde a água pode atingir temperatura perto da ebulição, ou mesmo no fundo do mar, em extremos de pressão e ausência de nutrientes.

O mundo invisível das bactérias.

Bactérias em geral são vistas pelas pessoas como maléficas, causadoras de doenças, etc. Porém, as bactérias “do mal” são de longe, a minoria. 

Bactérias malvadas tramando a destruição da especie humana. Fonte: http://www.123rf.com/stock-photo/bacteria_ailment.html

O mundo no qual vivemos, foi “engenhado” basicamente por bactérias. Devemos o oxigênio em nossa atmosfera basicamente a algumas espécies desses seres tão desprezados (em sua maioria, as cianobactérias). Outras participam ainda no clico de micronutrientes como Enxofre e Nitrogênio ou degradam matéria orgânica, fixam o gás carbônico da atmosfera e etc.

 Cyanobacteria - Anabaena spp. Fonte:http://dkphoto.photoshelter.com

Nos animais (inclusive o homem), elas ajudam desde a absorção de nutrientes e até mesmo na defesa contra patógenos.

Em nosso corpo, temos provavelmente o mesmo número de células humanas e bacterianas. São milhares de espécies que habitam nosso corpo, desde a pele, cabelo, boca, nariz e intestino, constituindo nossa microbiota (antigamente chamada de flora). Sem elas, não sobreviveríamos.

Essas pequenas células são verdadeiras máquinas metabólicas, com uma diversidade de funções incrível.  

Microbioma humano. Fonte: http://milkiseki.jp/microbioma-humano/

Desde milhares de anos atrás, microrganismos são utilizados pelo homem, mesmo sem saber exatamente o que estávamos fazendo. Leveduras são utilizadas para produção de pão e bebidas alcoólicas, assim como lactobacilos para fermentação de leite, desde sempre, constituindo uma maneira rudimentar de biotecnologia desde então.

Fermentação da cerveja: agradeça as leveduras. Fonte: http://comprarbebida.com.br/bebidas-fermentadas/

De lá para cá, a ciência evoluiu e passamos a ter conhecimento mais aprofundado sobre esses seres “invisíveis”. Passamos a conseguir cultivar espécies isoladas em laboratório, estudar sua fisiologia, bioquímica, genética. Descobrimos que podemos controla-las e torna-as espécies de robôs, produzindo exatamente o que desejamos, através de engenharia genética e biologia molecular. 

Bactéria E. coli, geneticamente modificada para produção de biodiesel. Fonte: Diesel (Marian Littlejohn/VEJA)

Sequenciamos genomas de milhares desses organismos e com isso entendemos melhor a função de cada gene e via metabólica.

Foram desenvolvidos microrganismos geneticamente modificados para produção de antibióticos mais potentes, proteínas fluorescentes para estudos de imagem celular, e até mesmo insulina, tornando mais barato, prático e eficiente o processo e melhorando a vida de diabéticos, que antes dependiam de insulina retirada de porcos, por muitas vezes causando até alergias.

Ilustração de como foi possível inserir o gene da insulina humana no genoma de uma bactéria. Fonte: https://www.nlm.nih.gov

A principal limitação no estudo de microrganismos é que não sabemos exatamente como cultivar a maior parte deles em laboratório. Cada organismo tem necessidades especificas, por exemplo, de nutrientes, concentração de oxigênio e temperatura para que cresçam e se multipliquem de maneira saudável. Os microrganismos mais clássicos, como os chamados coliformes fecais por exemplo, são facilmente cultiváveis, porém cerca de 90 a 99% dos organismos ambientais simplesmente não crescem nos meios de cultura que temos disponíveis. Com isso, fica difícil obter células suficientes para estudos in vitro e para sequenciar genomas, por exemplo.

Meios de cultura para bactérias, podem ser líquidos ou sólidos (em placa). Fonte: http://phoneutria.com.br/site2/produto/meios-de-cultura

Muitos desses organismos produzem produtos naturais de grande interesse, como antibióticos ou compostos com atividade anticâncer por exemplo. Outros produzem enzimas que degradam celulose e poderiam ser utilizados para degradar melhor a cana de açúcar, aumentando a quantidade de álcool (etanol) obtido por cada quilograma de cana.

Só que se não conseguimos cultiva-los, não conseguimos obter seus produtos. Então para contornar isso, foi desenvolvida uma técnica chamada de metagenomica, ou genômica ambiental (falarei mais sobre isso em um próximo post). Com essa técnica é possível acessar o DNA da comunidade microbiana completa de determinado ambiente, sem se preocupar em saber de qual organismo veio cada trecho de DNA, nem isolar e cultivar nenhum deles. Busca-se genes ao invés de organismos. Com isso, podemos através de engenharia genética e biologia molecular, inserir esses genes ambientais em bactérias tradicionais e cultiváveis, como os coliformes fecais, clonando e expressando esses genes para obter seus produtos de interesse biotecnológico.

Metagenomica: tornou possível acessar DNA ambiental sem cultivo individual dos microrganismos. Fonte: http://assets.illumina.com/

Mais recentemente, com o advento da biologia sintética, podemos simplesmente utilizar uma célula de alguma bactéria cultivável, retirar todo o seu DNA e inserir um DNA sintético, gerado em laboratório, com genes de interesse. Esse tipo de experimento já vem sendo desenvolvido, como o realizado pelo Craig Venter, onde foi inserido um número mínimo de genes necessários para a vida de um organismo, sintetizados em laboratório, numa célula de bactéria do gênero Mycoplasma, gerando uma forma de vida artificial. Esse vídeo  explica de maneira didática como isso pode ser feito.

Explicarei melhor os avanços desse fascinante campo num próximo post.

Até a próxima.

Medicina Personalizada na era pós-genomica

No último post, falamos sobre genômica e como é importante avançar para a genômica individual e personalizada. Mencionamos sobre as possibilidades de se aplicar os conhecimentos de genômica à medicina personalizada, e nesse post iremos falar um pouco mais a fundo a respeito desse futuro que já bate a nossa porta.

Fonte:http://saude.ig.com.br/minhasaude/2013-04-28/a-corrida-pela-medicina-personalizada.html

Muitas pessoas já sofreram ou presenciaram algum amigo ou parente ter problemas com certas medicações, as vezes até as mais comuns, como Aspirina. Em alguns casos, são efeitos adversos leves, mas em outros, reações alérgicas graves. Também é possível que não ocorra nenhuma reação adversa, porém o tratamento que funciona tão bem para muitas pessoas, simplesmente não surte efeito para outras. Por que, mesmo após tantos estudos clínicos e pré-clínicos, com animais e humanos voluntários, isso ocorre?  Bom, é exatamente esta pergunta que os dados genômicos em larga escala, de muitos indivíduos de cada população, podem vir a responder.  

Fonte: https://stevebetz.files.wordpress.com/2012/02/img3.jpg

Falamos no post anterior sobre os polimorfismos (ou, em linguagem mais simples, variações genéticas) de base única (SNPs) e de como eles nos definem como indivíduos. Essas não são as únicas variações existentes entre os genomas individuais, existem algumas outras, as vezes mais drásticas, como variações em número de copias de cromossomos, como as trissomias, por exemplo, do cromossomo 21 (muito conhecida como síndrome de Down). 

Fonte: http://slideplayer.com.br/slide/286871/

Existem também as aberrações cromossômicas estruturais, onde não se altera o número de copias de determinado cromossomo, porem algum cromossomo se apresenta bastante alterado (como a síndrome do miado do gato), em que falta um fragmento do braço curto do cromossomo 5). Essas alterações geralmente são extensas e causam doenças já bem conhecidas, e o seu diagnóstico não depende do sequenciamento de genomas completos do paciente, pois essas alterações podem ser verificadas até mesmo pelo microscópio (com técnicas de cariotipagem).

Porém, as diferenças mais sutis, entre indivíduos considerados “normais”, são muito mais numerosas e difíceis de se detectar. Em muitos casos o polimorfismo do DNA vem sendo detectados com técnicas de laboratório trabalhosas, com enzimas de restrição (que picotam o DNA apenas onde se deseja) e posterior analise. O problema com essas técnicas além do custo e do tempo necessário, é que elas só podem ser aplicadas em trechos já conhecidos do genoma, onde se sabe que pode haver polimorfismo entre indivíduos. Isso limita estudos de alta vazão, com grandes populações, restando a genômica resolver esse impasse.

Falamos também no post anterior, a respeito de um projeto chamado 1000 genomes, que se encontra em estágio bem avançado.  Hoje, projetos muito mais ambiciosos encontram-se em andamento, como o projeto 100.000 (isso mesmo, cem mil) genomes. Esse projeto tem como meta sequenciar, obviamente, 100 mil genomas de 70 mil pacientes ingleses com doenças genéticas graves ou câncer. São pacientes do sistema nacional de saúde britânico, e que, portanto, apresentam todo o histórico médico disponível para os pesquisadores.  No site do projeto, é possível ver mais informações e um vídeo, em inglês, mostra uma introdução ao projeto.

Mas o que vai ser feito com essa “tonelada” de informação obtida? Bom, o primeiro passo é cruzar informações do histórico médico com informações genômicas de cada paciente, e comparar com cada outro paciente do estudo. Parece simples, porém estamos falando de centenas de milhares de pacientes, com bilhões de pares de bases sequenciadas para cada um deles, e mais “trocentas” informações medicas relevantes, como por exemplo, alergia a aspirina, ou câncer em fase terminal. Cruzar esses dados requer, primeiro um poder computacional (super computadores), depois algoritmos e programas eficientes e finalmente cientistas e médicos qualificados para interpretar esses resultados (que é no fim das contas a parte mais difícil). Mas e na pratica, o que podemos obter?

Vamos imaginar uma situação hipotética, bastante simplificada. Dentro do grupo de pacientes, 18 mil deles apresentam no histórico médico, altas taxas de colesterol e risco cardíaco elevado. Desses 18 mil, cerca de 90% possuem mutações de base única (SNP) em 10 genes. No outro grupo de pacientes, que não apresentam problemas de colesterol alto nem risco cardíaco, apenas 15% apresentam as mesmas mutações. O que isso nos tem a dizer? Bom, muitas técnicas estatísticas precisam ser aplicadas para se ter maior confiança nas conclusões, mas a grosso modo, isso é um forte indicio de que essas mutações nesses genes favorecem problemas de colesterol e cardíacos. Em muitos dos casos, alguns desses 10 genes terão funções conhecidas, então um pesquisador, ao olhar para esses genes, poderá formular hipóteses ou rejeita-las. Se esses genes são genes já conhecidos por sua função metabólica relacionada a colesterol, fica mais fácil ainda aceitar a hipótese. Porém, desses 10 genes, alguns podem ter inclusive função desconhecida, tornando-se alvos imediatos para mais estudos.

Esse cenário pode ser estendido para qualquer informação medica relevante relatada, desde alergias, intolerâncias alimentares, predisposição a certas doenças (como herpes labial ou bronquites), doenças autoimunes, diversos tipos de câncer, e etc.

Após essas extensivas analises, teremos em mãos ferramentas poderosas e poderá se tornar praxe, seu médico pedir seu genoma completo e com o resultado em mãos, adequar tratamentos (por exemplo, evitar medicações que possam potencialmente causar alergia ou resistência) ou mesmo prevenir doenças futuras.

Fonte:https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiWjdOYicvOwWk1gzehd8tpspWfFxU-VS3tLeccE8T1p69giLfewJRzx6zcctBSdYeTd8WCgkm7r7vMHcME4_XyMDv3jPg6e18vibnCPPmw1I45OMZcMmutMLIx5BWJfPAgugx9N_KC7A/s1600/pharma-diseases.gif

Esse tipo de informação, porém, precisa ser mantida em sigilo e trará dilemas éticos, como por exemplo, seguros de saúde poderiam cobrar preços diferenciados de acordo com o genoma da pessoa. Mas esse é assunto para um outro post!

Precisamos falar sobre genômica (parte 2)

Continuando nossa conversa sobre genômica, ficam as perguntas: como fazer efetivamente os projetos genoma impactarem a vida das pessoas ? Qual o sentido de gastar tanto dinheiro, tempo e esforço?

Todos sabemos que o genoma é uma especie de manual de instruções da vida. Nele estão "todas" as informações que nos levam a ser o que somos (reparem nas aspas, pois existem fatores epigenéticos envolvidos e também somos bastante influenciados pelo ambiente que nos rodeia).

Nosso genoma nos define como espécie (humanos) porém também como indivíduos. Os projetos genomas iniciais foram feitos ou com base no genoma de uma única pessoa (no projeto privado, da Celera, foi sequenciado o genoma do Craig Venter) ou de um monte de indivíduos anônimos (no projeto público, foi coletado material biológico de várias pessoas, porém ninguém sabe de quais pessoas foi sequenciado, por questões éticas). Isso nos forneceu diversas informações preciosas a respeito do que nos define como espécie, e também o quanto somos parecidos com outros primatas e mesmo com outros mamíferos.

Genomas de eucariotos: em regiões codificantes, somos 99% iguais ao Chipanzé, mas aquele 1% ...

Fonte: http://docplayer.com.br/5877484-Evolucao-de-genes-e-genomas.html

Saber o que é igual ou similar é importante, mas não mais do que saber as diferenças. E digo não apenas entre nossa espécie e as outras, mas principalmente entre os indivíduos da nossa espécie. As diferenças entre pessoas podem ser pequenas frente ao tamanho total do genoma da espécie, mas nos fazem totalmente diferentes. Onde está o pulo do gato?? Está, por exemplo, nos polimorfismos, principalmente os de base única (da sigla em inglês, SNPs).

Esse nome difícil é apenas para fazer parecer que somos inteligentes  um apelido para mutações ou diferenças pontuais (muitas vezes de uma única base ou "letrinha") e que mudam a função do gene completamente. Assim nasceram os X-MAN.

Polimorfismos de base única, conhecidos pela sigla em Inglês SNP.

Fonte:  https://www.emaze.com/@AORTFFOQ/SEQUENCE-HOMOLOGY-AND-SNP-DETECTION-IN-ABIOTIC-STRESS.pptx

Com os primeiros rascunhos de genoma não era possível descobrir essas diferenças pontuais entre indivíduos, porém com o avanço da tecnologia, o custo de sequenciar um genoma individual diminuiu da ordem de bilhões de dólares para milhares, e estamos caminhando para um cenário onde com apenas centenas de dólares será possível obter um genoma de boa qualidade para um indivíduo.

O projeto "1000 genomes" deu um passo importante nesse sentido, iniciando um estudo em escala populacional que se propôs a sequenciar e analisar 1000 genomas humanos, como o nome sugere, mas que já passou da casa dos 2 milhares.

Mapa do projeto "1000 genomes", mostrando a origem dos indivíduos que forneceram material para o estudo

Com esses estudos, podemos descobrir por exemplo, mutações pontuais que possam explicar porque determinada população é mais propensa a desenvolver certas doenças, como por exemplo, diversos tipos de câncer ou doenças auto-imunes. Isso nos fornece informação vital da origem genética dessas desordens, assim como possíveis alvos terapêuticos.

Com o passar do tempo e com o acúmulo de dados de numa escala maior, na ordem de milhões de pessoas, o grande desafio se tornará computacional. Comparar o genoma completo de indivíduos se tornará rotina e uma nova medicina surgirá, com nome de Medicina Personalizada. Será mais fácil saber quais medicamentos cada individuo pode utilizar, e quais ele não deve. O mesmo vale para a nutrição. Cada individuo tem seu metabolismo peculiar, não ha razão para acreditar que o mesmo tipo de alimento e de remédio beneficiaria todos os indivíduos da mesma forma. 

A pergunta é: em quanto tempo isso se tornará realidade? Isso será acessível para todos os "mortais"? Quem viver, verá !

Até a próxima !

Precisamos falar sobre genômica (parte 1).

O público em geral está acostumado com o termo "clássico" genética. Porém o termo genômica é menos popular.
A grosso modo, genômica pode ser definida como a ciência que estudas os genomas (sério ??). Enquanto a genética se limita a estudar os genes individualmente. 

Mas o que seriam genomas? Nada mais do que o conjunto de genes que definem um organismo.

Ok, mas o que é um gene?  Bom, isso é mais uma coisa difícil de definir em biologia. 

Antes de defini-lo, vamos lembrar um pouco de Biologia Molecular.

No ano de 1958, um cara muito esperto chamado Francis Crick propôs o dogma central da biologia molecular.   A imagem abaixo ilustra o tal dogma:

Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Central_dogma_of_molecular_biology

Segundo o dogma, DNA sempre seria transcrito para RNA e traduzido para uma sequência de proteína. O conceito mais clássico de gene dizia que um gene era um segmento de DNA que é responsável por codificar uma proteína.

Porém, dogmas não cabem em ciências, então os retrovírus estão aí para quebrar esse dogma. Nesses vírus, a molécula que armazena a informação genética é na verdade RNA, que eventualmente é traduzido reversamente para DNA por uma enzima trasncriptase reversa. Um esquema desse "dogma estendido" pode ser visto abaixo:

Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Central_dogma_of_molecular_biology

Com o passar do tempo, o conceito de gene foi sendo modificado por diversos autores de acordo com novas descobertas, como genes reguladores, promotores, etc. Esses genes não carregam informação genética clássica, ou seja, não codificam proteínas, mas são responsáveis por regular ou promover atividade de genes codificantes. 

Trocando em miúdos, a genômica se propõe a estudar todos os genes (codificantes ou não) de um determinado organismo. 

Para isso o primeiro passo é o sequenciamento de todo do DNA de um determinado organismo. Hoje todos sabemos que este sequenciamento é apenas o primeiro passo mas por muitos anos nas décadas passadas, o sequenciamento de DNA foi vendido como a solução para todos os problemas do mundo. Foram gastos bilhões de dólares em reagentes, equipamentos e mão de obra durante a era da genômica, que culminou com o projeto genoma humano. Esse projeto começou em 1990 

e inicialmente era liderado pelos institutos de saúde dos EUA (NIH), porém em 1998 a iniciativa privada entrou na corrida, através da CELERA comandada pelo polemico Craig Venter (que havia trabalhado no projeto publico no NIH no começo dos anos 1990). 

A entrada de uma empresa privada na corrida acelerou o processo e levantou um debate ético sobre questões de propriedade da informação genética (por exemplo, a preocupação era de que informações fossem mantidas sob sigilo e vendidas para empresas farmacêuticas explorarem novos alvos para medicamentos). Além do mais, a CELERA desenvolveu uma estrategia mais rápida para o sequenciamento, chamada whole genome “shotgun” sequencing. 

No fim, as duas iniciativas entraram num acordo e publicaram em fevereiro de 2001 ao mesmo tempo o primeiro rascunho do genoma nas duas mais importantes revistas cientificas que existem, a Nature e a Science. Em 2003 e 2005, versões mais completas e com menos erros foram publicadas.

Fonte:http://biobunch.blogspot.de/2013/11/cafe-scientifique-lincoln-1-dr-rajiv.html

O Brasil também entrou na corrida genômica, e com um investimento pesado da FAPESP, o primeiro projeto genoma tupiniquim foi sequenciado, o da praga agrícola Xylella fastidiosa (conhecida como amarelinho). O projeto custou uma fortuna, mas rendeu uma publicação na Nature (e colocou o Brasil no mapa dos genomas e da bioinformática).

Da bioinformática ? Sim ... sequenciar o genoma é apenas o primeiro passo. Toda a informação biológica retirada de um genoma é realizada através de bioinformática. O sequenciamento automático de DNA gera como resultado arquivos que basicamente são sopas de letrinhas. O primeiro problema é montar essas letras na ordem correta.

Como limitação da técnica de sequenciamento, só é possível sequenciar pequenos trechos de DNA por vez (pode variar de 50 pares de base em sequenciadores como Solid até alguns milhares de pares base, em sequenciadores de terceira geração como o PacBio.

Sequenciador PacBio RS II

Para se ter ideia dá escala, o genoma humano possui cerca de 3 bilhões de pares de base. Montar esses pedaços na ordem correta para obter a sequencia de cada cromossomo é um dos maiores desafios da bioinformática.

Tamanho de genomas em pares de base dos diferentes organismos. Fonte: http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-18/CB18.html

Para quem quiser se aprofundar mais no assunto, sugiro essa apresentação em PPT muito boa que encontrei quando preparava uma aula sobre o assunto. 

Após a fase de montagem do quebra-cabeça genômico, precisamos identificar a localização dos genes (em qual cromossomo e em qual região se encontram) e suas  respectivas funções biológicas. Essa etapa é denominada "anotação funcional" do genoma. 

Sequenciamento e montagem de genomas (fonte: http://www.discoveryandinnovation.com/BIOL202/notes/images/shotgun_genome1.jpg)

O problema é que nem sempre é possível determinar a função dos genes, muitos deles permanecendo com função desconhecida até hoje. Muitas vezes nem é mesmo possivel ter certeza se determinado segmento de DNA é codificante, regulador ou não tem função alguma (fazendo parte de um controverso "deserto gênico", ou "DNA lixo").

Ou seja, a falsa promessa de que projetos genomas resolveriam todos os problemas de saúde da humanidade, permanece pelo menos até hoje, uma realidade bem distante.  

Na segunda parte desse texto falarei um pouco sobre a era pós-genômica e as aplicações práticas de tudo isso.

Até a próxima ! 

Precisamos falar sobre bioinformática!

WAT? Biooque?  Bioinformática!

Nesse segundo post vou falar da minha área de atuação, porque (sim) muita gente não faz a menor ideia do que se trata  (Spoiler: bioinformática não é criar software antivírus).

Não, eu não trabalho no AVAST!

De uns tempos para cá, parte da mídia tem “acordado” para essa obscura área e até mesmo o “Estadão” publicou uma matéria a respeito, chamando-a de profissão do futuro: 

http://educacao.estadao.com.br/noticias/geral,bioinformatica-transforma-dados-em-conhecimento,1716455

O Blog Universo Racionalista também publicou a respeito: http://www.universoracionalista.org/bioinformatica-filha-prodiga/ 

O problema é que esse futuro já chegou e muita gente, inclusive muitos cientistas, ainda não entendeu essa nova realidade. Já passamos da era da genômica e estamos na era pós-genômica (falarei disso em outros posts).

Encontrar uma definição clássica para o termo bioinformática já é o primeiro desafio. Para tentar simplificar vamos considerar que bioinformática é a ciência onde ferramentas computacionais são utilizadas (e desenvolvidas) para solucionar problemas biológicos.

                                                                   Sopa de letrinhas ?

Como exemplos desses problemas, podemos citar: análises de sequencias de DNA, RNA e proteína, estruturas tridimensionais de macromoléculas, interações celulares em determinado tecido ou ambiente, vias e redes metabólicas, e por aí em diante. São problemas bastante complexos e sem a ajuda de computação seriamos incapazes de resolver em tempo hábil. 

Em geral, a bioinformática lida com resultados de experimentos que são transformados em dados digitais. Um exemplo são os sequenciadores de DNA, aparelhos que descobrem a sequência em que bases nitrogenadas (lembram do A, C, G e T?) estão encadeadas para formar os genes e genomas. 

                                                                  Sequencias de DNA 

Esses aparelhos estão cada vez mais baratos, menores e mais rápidos, gerando um grande acumulo de dados a serem analisados e interpretados (por cientistas treinados). 

Sequenciador de DNA NanoPore minION: 

pouco maior que um pendrive

Um dos grandes desafios dessa área é justamente a escassez de recursos humanos. A raiz desse problema está na natureza inter e multi-disciplinar desse campo cientifico. Ao conciliar ciências exatas (matemática, estatística, engenharia, ciência da computação, física) com áreas biológicas (Biologia, Biomedicina, Farmácia, Medicina, Microbiologia, etc) estamos tentando basicamente misturar água e óleo. Simplesmente porque Biologia não é exata, não obedece a lógica binaria da computação e, portanto, é difícil para pessoas de uma área entenderem a outra e vice-versa.

Existem poucos cursos de graduação e de pós-graduação e todos eles enfrentam enormes desafios na escolha de disciplinas a serem ministradas e do melhor modelo a ser aplicado no ensino. 

Cito aqui a pós-graduação da UFMG (http://www.pgbioinfo.icb.ufmg.br/), Fiocruz (http://pgbcs.ioc.fiocruz.br/) e da UFPR (http://www.bioinfo.ufpr.br/).

Mas afinal, o que é necessário aprender para se tornar um bioinformata? Claro que isso vai depender da sub-área que você pretende atuar, mas em geral as disciplinas são: algoritmos e programação, bancos de dados, biologia molecular, bioquímica, estatística, data mining, dentre outras varias possibilidades. 

Nos próximos posts começarei a falar especificamente sobre algumas possíveis áreas de atuação dentro de bioinformática, a começar pela genômica. 

Até a próxima !