DC-UFRPE/Bacharelado em Ciência da Computação/BIOLOGIA COMPUTACIONAL

Programa da Disciplina

Nome:	BIOLOGIA COMPUTACIONAL
Código:	14103
Departamento:	Departamento de Computação (DC)
Área:	Computação
Carga-horária total:	60 horas
Créditos:	4
Pré-requisitos:	ALGORITMOS E ESTRUTURAS DE DADOS (Cód. 06214)

Ementa

Conteúdos do período letivo 2021.2

• Noções básicas de biologia molecular;
• Alinhamento e análise de sequências;
• Recuperação de informação em bancos de dados biológicos;
• Predição de estrutura de proteínas;
• Análise de expressão gênica;
• Análise filogenética;
• Análise de Redes Biológicas.

Objetivo

• Fornecer noções básicas e conceitos referentes à Biologia Computacional de modo abrangente.

Conteúdo

• Princípios básicos da Biologia Molecular;
• Alinhamentos de sequências;
• Montagem de fragmentos de DNA, dedução de funções e identificação de domínios proteicos conservados;
• Alinhamento Global (algoritmo de Needleman-Wunsch);
• Alinhamento Semi Global;
• Alinhamento Local (algoritmo de Smith Waterman);
• Busca por Homologias utilizando Matrizes de Substituição;
• Alinhamento Múltiplo de Sequências(MSA), princípios Básicos e sua aplicação na Análise Filogenética;
• Análise de Expressão Gênica por meio de Chips de DNA(Também referenciados como Microarray);
• Estruturas de Proteínas (abordagem introdutória do problema da Predição de Estrutura Secundária de Proteínas);
• Problema do Dobramento de Proteínas e problema da Predição de Estrutura Secundária de Proteínas abordado por meio de Redes Neurais Artificiais.

Bibliografia Básica

• Neil C. Jones, Pavel Pevzner. An Introduction to Bioinformatics Algorithms. MIT Press, 2004;
• J.C. Setubal and J. Meidanis, Introduction to Computacional Molecular Biology, PWS, 1997;
• Clote, Peter, and Rolf Backofen. Computational Molecular Biology: Introduction. 1st ed. New York, NY: John Wiley & Sons, 2000. ISBN: 0471872520.

Bibliografia Complementar

• S. Aluru. Handbook of Computational Molecular Biology. Chapman & Hall/CRC, 2006;
• B. Schölkopf, K. Tsuda, JP. Vert, Kernel Methods in Computational Biology. MIT Press, 2004;
• Durbin, Richard, Sean Eddy, Anders Krogh, and Graeme Mitchison. Biological Sequence Analysis: Probabilistic Models of Proteins and Nucleic Acids. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1999. ISBN: 9780521629713;
• P.A. Pevzner, Computational Molecular Biology: An Algorithmic Approach, MIT Press, Cambridge, 2004. M.S. Waterman, Introduction to Computational Biology, Maps, Sequences and Genomes, Chapman & Hall, 1995;
• D. Gusfield. Algorithms on Strings, Trees, and Sequences: Computer Science and Computational Biology. 1st ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1997. ISBN: 0521585198.

Material Complementar

• ROSALIND http://rosalind.info/problems/locations/;
• Bancos de Dados Biológicos:
  • http://www.ncbi.nlm.nih.gov/;
  • https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi
• Genômica :
  • Um breve guia sobre estudos genômicas na página do NHI https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/ABrief-Guide-to-Genomics;
  • Algumas aplicações atuais da genômica https://www.comciencia.br/genomica-abre-novas-frentes-depesquisa-basica-ou-aplicada-em-agricultura-evolucaobiologica-conservacao-e-medicina/.
• Bioinformática e Alinhamentos:
  • “Bioinformatics: Introduction and Methods” - Peking University (Free! ) https://www.coursera.org/lecture/bioinformaticspku/essential-concepts-Cfpos.
• Biologia Computacional no MIT:
  • Introduction to Computational and Systems Biology (MITOPENCOURSEWARE) https://ocw.mit.edu/courses/biology/7-91j-foundations-ofcomputational-and-systems-biology-spring-2014/videolectures/lecture-1-course-introduction-history-ofcomputational-biology-overview-of-the-course-coursepolicies-and-mechanics-dna-sequencing-technologies/.
• Homologia:
  • Slides de aula sobre Homologia (Thibério Rangel – USP): Os slides são ilustrativos e concisos. http://www.iq.usp.br/setubal/bmc/2014/aulaThiberio.pdf.
• Maria Angélica Souza: Alinhamento Múltiplo Progressivo de Sequências de Proteínas. Dissertação de Mestrado, Unicamp, 2010. https://www.ic.unicamp.br/~meidanis/PUB/Mestrado/Outros/Disserta cao%20de%20Mestrado%20- %20Maria%20Angelica%20Lopes%20de%20Souza.pdf;
• Alinhamento Múltiplo de Sequências:
  • Slides do prof. Zanoni Dias, Unicamp. https://www.ic.unicamp.br/~zanoni/teaching/mo640/2012- 2s/material/02-Alinhamento_Multiplo.pdf;
  • Breve explicação sobre alguns softwares para realizar alinhamentos múltiplos de sequências https://deboraguterres.com/tutoriais/alinhamento-desequencias/.
• Neil C. Jones and Pavel A. Pevzner: An Introduction to Bioinformatics Algorithms, MIT Press, Cambridge, 2004 https://www.cs.bgu.ac.il/~bccg211/wiki.files/An%20Introduction%20to %20Bioinformatics%20Algorithms.pdf.
• Clusterização:
  • Resumo básico http://web.tecnico.ulisboa.pt/ana.freitas/bioinformatics.ath.c x/bioinformatics.ath.cx/index0985.html?id=146;
  • Slides do prof Ron Shamir http://www.cs.tau.ac.il/~rshamir/abdbm/pres/17/IntroKmeans-SOM.pdf.

Vídeos Sobre o Assunto

• Genoma: Em Busca dos Sonhos da Ciência - Documentário produzido em 1999, sobre o Programa Genoma-FAPESP. https://youtu.be/7O67FYYIDfI;
• DNA: O segredo da vida – Neste belo video, o DNA e o código genético são apresentados. Atenção! O vídeo fala em grandes segmentos do DNA sem funções. Estudos atuais apontam em outra direção. No mais, a beleza e didática faz valer a pena a inclusão deste video em nossa lista https://www.youtube.com/watch?v=8eJ5xuTOZ9Q;
• Dogma Central da Biologia Molecular;
  • Animação explicando o Dogma Central brevemente. Ative as legendas https://www.youtube.com/watch?v=whV_CkKT7F0;
  • Do DNA às proteínas em 3 minutos https://www.youtube.com/watch?v=6nxRxoGME_I;
• Projeto Genoma Humano;
  • Time Line https://www.youtube.com/watch?v=MNFUf8dqk68;
  • Lessons from the Human Genome Project (com legendas em português ) https://www.youtube.com/watch?v=qOW5e4BgEa4.
• A Genômica e a pandemia:
  • Divulgação de pesquisa da USP (assistam sob a ótica dos princípios básicos que aprenderam até o momento ) https://www.youtube.com/watch?v=Zr0af5BcWpY;
  • Como é feito o sequenciamento de genoma https://www.youtube.com/watch?v=QD4fuVay3eI;
  • Entendendo o SARS-CoV2 interage com as células (vejam a repórter dessa entrevista ^^ ) https://www.youtube.com/watch?v=wC3r4Lcm1Sw;
  • Genética básica do Coronavírus https://www.youtube.com/watch?v=XM13kvBo53E;
  • Coronavírus: entenda o que é e qual a importância do sequenciamento genético https://www.youtube.com/watch?v=lrPfgrdKhos;
• Bioinformática e Alinhamentos:
  • OnlineBioinfo – Canal sobre Bioinformática – Extensão – UFMG https://www.youtube.com/watch?v=uGgodVmTuA4.
• Programação Dinâmica (PD):
  • Breve explicação sobre PD utilizando números de Fibonacci (recordar é viver! :D ) https://www.youtube.com/watch?v=mmjDZGSr7EA;
  • Vídeo com uma apresentação animada da técnica Programação Dinâmica (com exemplos) https://www.youtube.com/watch?v=pH3Cs3WbRMQ;
  • Animação sobre a utilização de programação dinâmica no problema de alinhamento de sequências (alinhamento global). Observem que foi utilizado um outro sistema de score. https://www.youtube.com/watch?v=8aJbIh5kKOM.
• Relembrando sequenciamento:
  • Sequenciamento de Sanger - PPCC Biologia Molecular UFSC (Vídeo curto e muito didático sobre o processo de sequenciamento) https://www.youtube.com/watch?v=Uma54mKcR40;
  • Aprenda os fundamentos do sequenciamento de nova geração (Entenda como geramos os fragmentos para obter a sequência de DNA – leva cerca de 30 minutos, mas, é muito didático! ^^) https://www.youtube.com/watch?v=uKCCIAhLFrU.
• Alinhamento Local (Algoritmo Smith Waterman ):
  • Alinhamentos Semi Global (SAP) X Alinhamento Local (Smith Waterman) https://www.youtube.com/watch?v=dQXLyeVQrMo;
  • Alinhamento Global X Alinhamento Local (Está em inglês – tem animações legais ^^) https://www.youtube.com/watch?v=zBGAtxrJx0M;
  • Local Sequence Alignment & Smith-Waterman || Algorithm and Example (também em inglês, mas, a apresentação é rica em recursos visuais) https://www.youtube.com/watch?v=lu9ScxSejSE.
• Alinhamento Semi Global (SAP):
  • Alinhamento Semi Global (SAP) X Global https://www.youtube.com/watch?v=tlwFcAhK-NE;
  • Global, Semi Global e Local em menos de 9 minutos ^^ https://www.youtube.com/watch?v=W2N55c4tXdw.
• Homologia:
  • Homolog vs paralog vs ortholog vs analog in 4 minutes | Genetics for beginners (Naquele inglês básico e em 4 minutos apenas ^^) https://www.youtube.com/watch?v=TiKbMw_bKEk;
  • Modelagem molecular por homologia ou modelagem comparativa (ampliando horizontes! ) https://www.youtube.com/watch?v=fq-w7L9NUVk.
• Matrizes de Substituição:
  • T1:E3 Matriz PAM | Série Alinhamento de sequências (Vídeo de 30 minutos apresentando as PAMs) https://www.youtube.com/watch?v=3iCPuGRD4HY;
  • T1:E5 Matriz BLOSUM | Alinhamento de sequências (Da mesma temporada anterior ^^) https://www.youtube.com/watch?v=qmSBCuUadsE;
  • Comparison between BLOSUM and PAM Substitution Matrices (também em inglês... precisamos produzir os nossos em português ^^) https://www.youtube.com/watch?v=3h58QOy1QfA.
• PAM, BLOSUM e BLASTAlinhamento Semi Global (SAP):
  • Dr. Rob Edwards from San Diego State University discusses the difference between PAM and BLOSUM for BLAST, the Basic Local Alignment Search Tool (em inglês, mas, são 8 minutos apenas ^^ a apresentação é legal ) https://www.youtube.com/watch?v=68lF71zEUF8.
• Alinhamento Múltiplo de Sequências:
  • Alinhamento MÚLTIPLO de sequências | Clustal W: um dos artigos mais citados da Bioinformática https://www.youtube.com/watch?v=592I7RLq6og;
  • Multiple Sequence Alignment (construindo um alinhamento múltiplo – naquele inglês básico ) https://www.youtube.com/watch?v=WbdsfkzaVqk.
• Análise Filogenética:
  • Vídeo apresentando a definição de árvore filogenética e suas representações https://www.youtube.com/watch?v=-GqAsj2rqMM;
  • Compreender e construir árvores filogenéticas |A evolução e a árvore da vida |Biologia |Khan Academy (Um ponto de vista biológico ) https://www.youtube.com/watch?v=0oLQR_SyQjk.
• Microarrays:
  • Tutorial de Microarranjo de DNA - Luana Soares Martínez: De estudante para estudante https://www.youtube.com/watch?v=2dA6wjDR_u4;
  • Aprenda os fundamentos do Microarray (canal: Universo da Biologia Molecular) https://www.youtube.com/watch?v=0ZDumBd53wI;
  • DNA Microarray Methodology (o inglês é básico e a animação é bastante direta e legal ) https://www.youtube.com/watch?v=0ATUjAxNf6U;
  • DNA Microarrays I Animation (Canal: Medical Sciences Animations) – Apenas 2 minutos de vídeo :o https://www.youtube.com/watch?v=HIf7ulJldXs.
• Clusterização:
  • Clustering: K-means and Hierarchical (Prof. Luis Serrano) https://www.youtube.com/watch?v=QXOkPvFM6NU.
• Análise de Expressão Gênica:
  • Métodos de Análise de Expressão Gênica (André F. de Camargo, Guilherme M. G. Filho, Leonardo Lima) – Slides – 11 minutos https://slideplayer.com.br/slide/1256846/;
  • Gene Expression Analysis and DNA Microarray Assays (Canal: Professor Dave Explains) – O Dave é legal tb ^^ https://www.youtube.com/watch?v=Hv5flUOsE0s;
  • MIT CompBio Lecture 06 - Gene Expression Analysis: Clustering and Classification (Prof. Manolis Kellis) – Uma aula tradicional, no MIT https://www.youtube.com/watch?v=DeaLk8whdbk.
• Proteínas:
  • Começando do começo Uma motivação para o estudo de proteínas. FROM GENE TO FUNCTION (recordar é viver ^^) https://uta.pressbooks.pub/cellphysiology/chapter/fromgene-to-function/;
  • Uma introdução às estruturas de proteínas: Proteins and their Structure (Canal: Aasoka) https://www.youtube.com/watch?v=piXHivrTT-E;
  • Estrutura Tridimensional da Proteínas (Canal: Biologia além dos olhos) – Em português :D https://www.youtube.com/watch?v=0DjnoSYjCKQ;
  • FOUR LEVELS OF PROTEIN STRUCTURE (Capítulo de livro com texto simples, direto e bem estruturado. As animações dos vídeos desse livro são de alta qualidade ) https://uta.pressbooks.pub/cellphysiology/chapter/chapter2/;
  • Protein structure | Primary | Secondary | Tertiary | Quaternary (Canal: Quick Biochemistry Basics) https://www.youtube.com/watch?v=PPJ7C3hcnPw;
  • Definindo proteínas: What is a Protein? (Canal: RCSBProteinDataBank) https://www.youtube.com/watch?v=wvTv8TqWC48.
• O Problema do Dobramento de Proteínas:
  • Problema do enovelamento de proteínas, deep learning, Deepmind, Alphafold e Googlen (Canal: OnlineBioinfo Bioinformática) – Live sobre o anúncio da solução do problema de dobramento (1h – em português) https://www.youtube.com/watch?v=9yWuLxkvDHY;
  • Breve animação explicando o problema: Protein folding explained (Canal: DeepMind) https://www.youtube.com/watch?v=KpedmJdrTpY;
  • The protein folding problem: a major conundrum of science: Ken Dill at TEDxSBU (Canal: TEDx Talks) https://www.youtube.com/watch?v=zm-3kovWpNQ;
  • Has Protein Folding Been Solved? (Canal: Sabine Hossenfelder https://www.youtube.com/watch?v=yhJWAdZl-Ck