Redes Biológicas

1. Redes Biológicas Autores: Davi Duarte Pinheiro David Barros Hulak 01/09/2011

2. Roteiro • O que são redes biológicas • Redes metabólicas • Redes proteicas • Redes neurais • Redes ecológicas • Conclusões

3. Redes biológicas • Interações entre elementos biológicos • Substâncias químicas e suas reações • Conexões entre células neurais • Relações entre espécies de um ecossistema • Regulação genética

4. Redes bioquímicas • Destaque nos últimos anos • Interações químicas intracelulares • Tipos de redes • Metabólicas • Proteicas • Genéticas

5. Redes metabólicas: metabolismo • Catabolismo: nutrientes -> moléculas simples + ATP • Anabolismo: moléculas simples + ATP -> moléculas complexas • Caminho (pathway): C1 = R12 -> R12 -> ... -> R1n -> P • Redes metabólicas: R = {C1 U C2 U ... U Cn} • Apenas detalhes variam entre espécies do reino animal

6. Redes metabólicas: estrutura • Vértices são metabólitos • Arestas são reações • Enzimas: representação opcional

7. Redes metabólicas: representação

8. Redes metabólicas: representação

9. Medições experimentais • Foco no caminho • Radioisótopos • Adição de substratos ou enzimas • Inibição da reação

10. Radioisótopos

11. Radioisótopos

12. Radioisótopos

13. Radioisótopos: conclusões e problemas

14. Aumento de concentração

15. Aumento de concentração

16. Aumento de concentração

17. Aumento de concentração: conclusões e problema

18. Inibição da reação

19. Inibição da reação

20. Inibição da reação: conclusões e problema

21. Redes metabólicas: construção • Diferentes caminhos • Diferentes experimentos • Diferentes pesquisadores • Diferentes técnicas • Conhecimento bioquímico

23. Redes metabólicas: sem escala

24. Redes proteicas • Interações físicas • Complexo de proteínas

25. Redes proteicas: representação

26. Redes proteicas: imunoprecipitação • Identificação de interações • Co-imunoprecipitação

27. Redes proteicas: co-imunoprecipitação • Confiável e muito utilizado • Muito custoso e demorado • Alternativa mais viável: métodos de high-throughput (alta vazão ou rendimento)

28. Métodos de high-troughput • Impulsionaram o estudo de redes proteicas • Identificam interações mais rapidamente • Ténica mais antiga e bem estabelecida: two-hybrid screening

29. Two-hybrid screening

30. Two-hybrid screening • Biblioteca de possíveis presas • Barato e rápido • Interferência do fator de transcrição • Falsos positivos

31. Purificação por afinidade tandem (TAP)

32. Tandem affinity purification (TAP) • Apenas um par anticorpo-etiqueta • Fonte mais confiável de dados para redes protéicas • Etiqueta pode ser obstáculo

33. Rede proteica: sem escala Saccharomyces cerevisiae

34. Redes neurais • Redes de neurônios • Processamento de informação • Dezenas de bilhões de neurônios • Várias entradas, apenas uma saída

35. Redes neurais: neurônio • Corpo • Dendritos (várias entradas) • Axônio • Terminal do axônio (única saída)

36. Redes neurais: sinais • Transmissão eletroquímica de informação • Ondas elétricas • Movimentos de cátions de sódio e potássio

37. Redes neurais: estímulo • Um neurônio pode: • Não causar estímulo • Causar estímulos inibitórios • Causar estímulos excitatórios • Aceita vários estímulos inibitórios ou excitatórios • Pode propagá-los como resposta

38. Redes neurais: estrutura • Neurônios modelados como vértices • Dois tipos de arestas: • Inibitórias • Excitatórias

39. Redes neurais: conclusões • É muito difícil estudar neurônios • Rede tridimensional • Estudo de porções mais simples

40. Redes neurais: exemplo Caenorhabditis elegans (nematódeo)

41. Redes ecológicas • Redes alimentares • Redes de parasitismo • Redes de mutualismo

42. Redes ecológicas: redes alimentares • Rede direcionada • Espécies que se alimentam uma das outras

43. Redes ecológicas: redes alimentares

44. Redes alimentares: estrutura • Direção das arestas indica fluxo de energia • Alguns vértices podem ser generalizados

45. Redes alimentares: estrutura • Geralmente acíclicas • Os de maior ordem se alimentam dos de menor ordem • Nível trófico • Quantidade diminui quando o nível aumenta

46. Redes alimentares: obtendo informação • Documentação através de observação e literatura • Difícil obter medidas precisas • Rede de comida com pesos • Medir energia é demorado e difícil

47. Redes ecológicas: redes de parasitismo • Similar às redes de comida • Pode ter vários níveis de parasitismo

48. Redes ecológicas: redes mutualísticas • Não direcionadas • Normalmente formam redes bipartidas

49. Conclusões • Seres vivos e suas interações • Diversos tipos de redes • Estruturas semelhantes • Complexidade • Conhecimento bioquímico

50. Referências • Networks: an introduction (2010), por M. E. J. Newman • The large-scale organization of metabolic networks, por H. Jeong, B. Tombor, R. Albert, Z. N. Oltvai & A.-L Barabási (2000): http://www.barabasilab.com/pubs/CCNR-ALB_Publications/200010-05_Nature-OrganMetabolic/200010-05_Nature-OrganMetabolic.pdf • MetaCyc – Encyclopedia of Metabolic Pathways: http://metacyc.org/ • Is proteomics heading in the wrong direction?, por Lukas A. Huber (2003): http://www.nature.com/nrm/journal/v4/n1/fig_tab/nrm1007_F1.html • Modelo de redes (aula de 2011-2 da disciplina): http://www.cin.ufpe.br/~rbcp/taia/aulas/modelos-redes.pptx