introducció a la bioinformàtica roderic guigó i serra IMIM/UPF/CRG

tecnologies de la genòmica DNA sequencing DNA microarrays mass spectroscopy and 2-D gels yeast two hibrids X-ray cristallography and NMR

tecnologies de la genòmica L’aplicació de les tecnologies de la genòmica permet per primer cop una aproximació global al funcionament de la cél.lula viva. La biologia de ser una ciència “analítica”: la realitat és diseccionada en els seus components més elementals per tal de ser entesa ha passat a ser una ciència “sintètica”: en la qual el repte és integrar informació globlal sobre el funcionament dels éssers vius

bioinformàtica La biologia, una disciplina en la que l’esforç ha estat tradicionalment dedicat a l’obtenció de les dades, ha esdevingut en poc temps una disciplina en la que les dades s’obtenen de manera gairebé automàtica, i l’esforç s’ha desplaçat cap a l’anàlisi de les dades.

DNA microarrays

bioinformàtica la bioinformática és una nova disciplina científica, en la intersecció entre la biologia i la computació, l’objectiu de la qual és l’aplicació i el desenvolupament de mètodes per l’obtenció, l’emmagatzamatge, l’anàlisi i la integració de les dades que genera la investigació en biologia.

bioinformàtica

documents a GOOGLE: X-informatics bioinformatics 2,270,000 chemoinformatics 10,600 astroinformatics 31 neuroinformatics 49,300 socioinformatics 318 geoinformatics 38,000 meteoinformatics 2 econoinformatics 83 ecoinformatics 36,400 biology 17,000,000

decodificació del genoma la seqüència del genoma humà ACTCAGCCCCAGCGGAGGTGAAGGACGTCCTTCCCCAGGAGCCGGTGAGAAGCGCAGTCGGGGGCACGGGGATGAGCTCAGGGGCCTCTAGAAAGATGTAGCTGGGACCTCGGGAAGCCCTGGCCTCCAGGTAGTCTCAGGAGAGCTACTCAGGGTCGGGCTTGGGGAGAGGAGGAGCGGGGGTGAGGCCAGCAGCAGGGGACTGGACCTGGGAAGGGCTGGGCAGCAGAGACGACCCGACCCGCTAGAAGGTGGGGTGGGGAGAGCATGTGGACTAGGAGCTAAGCCACAGCAGGACCCCCACGAGTTGTCACTGTCATTTATCGAGCACCTACTGGGTGTCCCCAGTGTCCTCAGATCTCCATAACTGGGAAGCCAGGGGCAGCGACACGGTAGCTAGCCGTCGATTGGAGAACTTTAAAATGAGGACTGAATTAGCTCATAAATGGAAAACGGCGCTTAAATGTGAGGTTAGAGCTTAGAATGTGAAGGGAGAATGAGGAATGCGAGACTGGGACTGAGATGGAACCGGCGGTGGGGAGGGGGAGGGGGTGTGGAATTTGAACCCCGGGAGAGAAAGATGGAATTTTGGCTATGGAGGCCGACCTGGGGATGGGGAAATAAGAGAAGACCAGGAGGGAGTTAAATAGGGAATGGGTTGGGGGCGGCTTGGTAACTGTTTGTGCTGGGATTAGGCTGTTGCAGATAATGGAGCAAGGCTTGGAAGGCTAACCTGGGGTGGGGCCGGGTTGGGGTCGGGCTGGGGGCGGGAGGAGTCCTCACTGGCGGTTGATTGACAGTTTCTCCTTCCCCAGACTGGCCAATCACAGGCAGGAAGATGAAGGTTCTGTGGGCTGCGTTGCTGGTCACATTCCTGGCAGGTATGGGGCGGGGCTTGCTCGGTTTTCCCCGCTTCTCCCCCTCTCATCCTCACCTCAACCTCCTGGCCCCATTCAAGCACACCCTGGGCCCCCTCTTCTTCTGCTGGTCTGTCCCCTGAGGGGAAAGCCCAGGTCTGAGGCTTCTATGCTGCTTTCTGGCTCAGAACAGCGATTTGACGCTCTGTGAGCCTCGGTTCCTCCCCCGCTTTTTTTTTTTCAGCCAGAGTCTCACTCTGTCGCCCAGGCTGGAGTGCAGTGGCGCAATCTCAGCTCACTGCAAGCTCCGCCTCCCGGGTTCACGCTATTCTCCCGCCTCAGCCTCCCGAGTAGCTGGGACTACAGGCGCCCGCCACCATGCCCGGCTAATTTTTTGTACTTTGAGTAGGGAAGGGGTTTCACTGTATTATCCAGGATGGTCTCTATCTCCTGACCTCGTGATCTGCCCGCCTGGCCTCCCAAAGTGCTGGAATTACAGGCGTGAGCCTCCGCGCCCGGCCTCCCCATCCTTAATATAGGAGTTAGAAGTTTTTGTTTGTTTGTTTTGTTTTGTTTTTGTTTTGTTTTGAGATGAAGTCCCTCTGTCGCCCAGGCTGGAGTGCAGTGGCTCCCAGGCTGGAGTTCAGTGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCTCCCAGGTTCACGCCATTCTCCTGCCTCAGCCTCCGGAGTAGCTGGGACTACAGGAACATGCCACCACACCCGACTAACTTTTTTTGTATTTTTAGTAGAGACGGGGTTTCACCATGTTGGCCAGGCTGGTCTGGAACTCCTGACCTCAGGTGATCTGCCTGCTTCAACCTCCCAAAGTGCTGGGATTACAGACGTGGGCCACCGCGCCCGGCTGGGAGTTAAGAGGTTTCTAATGCATTGCATTAGAATACCAGACACGGGACAGCTGTGATCTTTATTCTCCATCACCCCACACAGCCCTGCCTGGGGCACACAAGGACACTCAATACACGCTTTTCGGGCGCGGTGGCTCAAGCTGTAATCCCAGCACTTTGGGAGGCTGAGGCGGGTGGTACATGAGGTCAGGAGATCGAGACCATCCTGGCTAACATGGTGAAACCCCGTCTCTACTAAAAATACAAAAAACTAGCCCGGGCGTGGTGGCGGGCGCCTGTAGTCCCAGCTACTCGGAGGCTGAGGCAGGAGAATGGCGTGAACCTGGGAGGCGGAGCTTGCAGTGAGCCGAGATCGCGCCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACACAGCGCGAGACTCCGTCTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAATACACGCTTTTCCGCTAGGCACGGTGGCTCACCCCTGTAATCCCAGCATTTTGGGAGGCCAAGGTGGGAGGATCACTTGAGCCCAGGAGTTCAACACCAGACTCAGCAACATAGTGAGACTCTCTCTACTAAAAATACAAAAATTAGCCAGGCCTGGTGCCACACACCTGTGGTCCCAGCTACTCAGAAGGCTAAGGCAGGAGGATCGCTTAAGCCCAGAAGGTCAAGGTTGCAGTGAACCACGTTCAGGCCACTGCAGTCCAGCCTGGGTGACAGAGCAAGACCCTGTCTGTAAATAAATAACGCTTTTCAAGTGATTAAACAGACTCCCCCCTCACCCTGCCCACCATGGCTCCAAAGCAGCATTTGTGGAGCACCTTCTGTGTGCCCCTAGGTACTAGCTGCCTGGACGGGGTCAGAAGGAACCTGAACCACCTTCAACTTGTTCCACACAGGATGCCAGGCCAAGGTGGAGCAACCGGTGGAGCCAGAGACAGAACCCGACGTTCGCCAGCAGGCTGAGTGGCAGAGCGGCCAGCCCTGGGAGCTGGCACTGGGTCGCTTTTGGGATTACCTGCGCTGGGTGCAGACACTGTCTGAGCAGGTGCAGGAGGAGCTGCTCAGCCCCCAGGTCACCCAGGAACTGACGTGAGTGTCCCCATCCCGGCCCTTGACCCTCCTGGTGGGCGGCTATACCTCCCCAGGTCCAGGTTTCATTCTGCCCCTGCCACTAAGTCTTGGGGGCCTGGGTCTCTGCTGGTTCTAGCTTCCTCTTCCCATTTCTGACTCCTGGCTTTAGCTCTCTGGAATTCTCTCTCTCAGTTCTGTTTCTCCCTCTTCCCTTCTGACTCAGCCTGTCACACTCGTCCTGGCGCTGTCTCTGTCCTTCACTAGCTCTTTTATATAGAGACAGAGAGATGGGGTCTCACTGTGTTGCCCAGGCTGGTCTTGAACTTCTGGGCTCAAGCGATCCTCCCACCTCGCCTCCCAAAGTGCTGGGAATAGAGACATGAGCCACCTTGCTCGGCCTCCTAGCTCTTTCTTCGTCTCTGCCTCTGCTCTCTGCGTCTGTCTTTGTCTCCTCTCTGCCTCTGTCCCGTTCCTTCTCTCTTGGTTCACTGCCCTTCTGTCTCTCCCTGTTCTCCTTAGGAGACTCTCCTCTCTTCCTTCTCGAGTCTCTCTGGCTGATCCCCATCTCACCCACACCTATCC

la seqüència i l’estructura de les proteïnes QIKDLLVSSSTDLDTTLVLVNAIYFKGMWKTAFNAEDTREMPFHVTKQESKPVQMMCMNNSFNVATLPAEKMKILELPFASGDLSMLVLLPDEVSDLERIEKTINFEKLTEWTNPNTMEKRRVKVYLPQMKIEEKYNLTSVLMALGMTDLFIPSANLTGISSAESLKISQAVHGAFMELSEDGIEMAGSTGVIEDIKHSPESEQFRADHPFLFLIKHNPTNTIVYFGRYWSP

la funció dels gens

gagttttatcgcttccatgacgcagaagttaacactttcggatatttctgatgagtcgaaaaattatcttgataaagcaggaattactactgcttgtttacgaattaaatcgaagtggactgctggcggaaaatgagaaaattcgacctatccttgcgcagctcgagaagctcttactttgcgacctttcgccatcaactaacgattctgtcaaaaactgacgcgttggatgaggagaagtggcttaatatgcttggcacgttcgtcaaggactggtttagatatgagtcacattttgttcatggtagagattctcttgt MALWTRLRPLLALLALWPPPPARAFVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKARREVEGPQVGALELAGGPGAGGLEGPPQKRGIVEQCCASVCSLYQLENYCN

gene function

gene function ACTCAGCCCCAGCGGAGGTGAAGGACGTCCTTCCCCAGGAGCCGGTGAGAAGCGCAGTCGGGGGCACGGGGATGAGCTCAGGGGCCTCTAGAAAGATGTAGCTGGGACCTCGGGAAGCCCTGGCCTCCAGGTAGTCTCAGGAGAGCTACTCAGGGTCGGGCTTGGGGAGAGGAGGAGCGGGGGTGAGGCCAGCAGCAGGGGACTGGACCTGGGAAGGGCTGGGCAGCAGAGACGACCCGACCCGCTAGAAGGTGGGGTGGGGAGAGCATGTGGACTAGGAGCTAAGCCACAGCAGGACCCCCACGAGTTGTCACTGTCATTTATCGAGCACCTACTGGGTGTCCCCAGTGTCCTCAGATCTCCATAACTGGGAAGCCAGGGGCAGCGACACGGTAGCTAGCCGTCGATTGGAGAACTTTAAAATGAGGACTGAATTAGCTCATAAATGGAAAACGGCGCTTAAATGTGAGGTTAGAGCTTAGAATGTGAAGGGAGAATGAGGAATGCGAGACTGGGACTGAGATGGAACCGGCGGTGGGGAGGGGGAGGGGGTGTGGAATTTGAACCCCGGGAGAGAAAGATGGAATTTTGGCTATGGAGGCCGACCTGGGGATGGGGAAATAAGAGAAGACCAGGAGGGAGTTAAATAGGGAATGGGTTGGGGGCGGCTTGGTAACTGTTTGTGCTGGGATTAGGCTGTTGCAGATAATGGAGCAAGGCTTGGAAGGCTAACCTGGGGTGGGGCCGGGTTGGGGTCGGGCTGGGGGCGGGAGGAGTCCTCACTGGCGGTTGATTGACAGTTTCTCCTTCCCCAGACTGGCCAATCACAGGCAGGAAGATGAAGGTTCTGTGGGCTGCGTTGCTGGTCACATTCCTGGCAGGTATGGGGCGGGGCTTGCTCGGTTTTCCCCGCTTCTCCCCCTCTCATCCTCACCTCAACCTCCTGGCCCCATTCAAGCACACCCTGGGCCCCCTCTTCTTCTGCTGGTCTGTCCCCTGAGGGGAAAGCCCAGGTCTGAGGCTTCTATGCTGCTTTCTGGCTCAGAACAGCGATTTGACGCTCTGTGAGCCTCGGTTCCTCCCCCGCTTTTTTTTTTTCAGCCAGAGTCTCACTCTGTCGCCCAGGCTGGAGTGCAGTGGCGCAATCTCAGCTCACTGCAAGCTCCGCCTCCCGGGTTCACGCTATTCTCCCGCCTCAGCCTCCCGAGTAGCTGGGACTACAGGCGCCCGCCACCATGCCCGGCTAATTTTTTGTACTTTGAGTAGGGAAGGGGTTTCACTGTATTATCCAGGATGGTCTCTATCTCCTGACCTCGTGATCTGCCCGCCTGGCCTCCCAAAGTGCTGGAATTACAGGCGTGAGCCTCCGCGCCCGGCCTCCCCATCCTTAATATAGGAGTTAGAAGTTTTTGTTTGTTTGTTTTGTTTTGTTTTTGTTTTGTTTTGAGATGAAGTCCCTCTGTCGCCCAGGCTGGAGTGCAGTGGCTCCCAGGCTGGAGTTCAGTGGCTGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCTCCCAGGTTCACGCCATTCTCCTGCCTCAGCCTCCGGAGTAGCTGGGACTACAGGAACATGCCACCACACCCGACTAACTTTTTTTGTATTTTTAGTAGAGACGGGGTTTCACCATGTTGGCCAGGCTGGTCTGGAACTCCTGACCTCAGGTGATCTGCCTGCTTCAACCTCCCAAAGTGCTGGGATTACAGACGTGGGCCACCGCGCCCGGCTGGGAGTTAAGAGGTTTCTAATGCATTGCATTAGAATACCAGACACGGGACAGCTGTGATCTTTATTCTCCATCACCCCACACAGCCCTGCCTGGGGCACACAAGGACACTCAATACACGCTTTTCGGGCGCGGTGGCTCAAGCTGTAATCCCAGCACTTTGGGAGGCTGAGGCGGGTGGTACATGAGGTCAGGAGATCGAGACCATCCTGGCTAACATGGTGAAACCCCGTCTCTACTAAAAATACAAAAAACTAGCCCGGGCGTGGTGGCGGGCGCCTGTAGTCCCAGCTACTCGGAGGCTGAGGCAGGAGAATGGCGTGAACCTGGGAGGCGGAGCTTGCAGTGAGCCGAGATCGCGCCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACACAGCGCGAGACTCCGTCTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAATACACGCTTTTCCGCTAGGCACGGTGGCTCACCCCTGTAATCCCAGCATTTTGGGAGGCCAAGGTGGGAGGATCACTTGAGCCCAGGAGTTCAACACCAGACTCAGCAACATAGTGAGACTCTCTCTACTAAAAATACAAAAATTAGCCAGGCCTGGTGCCACACACCTGTGGTCCCAGCTACTCAGAAGGCTAAGGCAGGAGGATCGCTTAAGCCCAGAAGGTCAAGGTTGCAGTGAACCACGTTCAGGCCACTGCAGTCCAGCCTGGGTGACAGAGCAAGACCCTGTCTGTAAATAAATAACGCTTTTCAAGTGATTAAACAGACTCCCCCCTCACCCTGCCCACCATGGCTCCAAAGCAGCATTTGTGGAGCACCTTCTGTGTGCCCCTAGGTACTAGCTGCCTGGACGGGGTCAGAAGGAACCTGAACCACCTTCAACTTGTTCCACACAGGATGCCAGGCCAAGGTGGAGCAACCGGTGGAGCCAGAGACAGAACCCGACGTTCGCCAGCAGGCTGAGTGGCAGAGCGGCCAGCCCTGGGAGCTGGCACTGGGTCGCTTTTGGGATTACCTGCGCTGGGTGCAGACACTGTCTGAGCAGGTGCAGGAGGAGCTGCTCAGCCCCCAGGTCACCCAGGAACTGACGTGAGTGTCCCCATCCCGGCCCTTGACCCTCCTGGTGGGCGGCTATACCTCCCCAGGTCCAGGTTTCATTCTGCCCCTGCCACTAAGTCTTGGGGGCCTGGGTCTCTGCTGGTTCTAGCTTCCTCTTCCCATTTCTGACTCCTGGCTTTAGCTCTCTGGAATTCTCTCTCTCAGTTCTGTTTCTCCCTCTTCCCTTCTGACTCAGCCTGTCACACTCGTCCTGGCGCTGTCTCTGTCCTTCACTAGCTCTTTTATATAGAGACAGAGAGATGGGGTCTCACTGTGTTGCCCAGGCTGGTCTTGAACTTCTGGGCTCAAGCGATCCTCCCACCTCGCCTCCCAAAGTGCTGGGAATAGAGACATGAGCCACCTTGCTCGGCCTCCTAGCTCTTTCTTCGTCTCTGCCTCTGCTCTCTGCGTCTGTCTTTGTCTCCTCTCTGCCTCTGTCCCGTTCCTTCTCTCTTGGTTCACTGCCCTTCTGTCTCTCCCTGTTCTCCTTAGGAGACTCTCCTCTCTTCCTTCTCGAGTCTCTCTGGCTGATCCCCATCTCACCCACACCTATCC

LA SEQÜÈNCIA DEL GENOMA HUMÀ

computing at Celera Genomics

200 teraflops 1000 vegades més potent que deep blue Més potent que els 500 ordinadors més potents avui en dia

llei de Moore

growth of genomic data (http://www.dna.affrc.go.jp/htdocs/growth/)

decodificació del genoma computational biology, biological computations LM Adelman, “Molecular computations of soluctions to combinatorial problems”, Science 1994. extraordinaria proximidad a la readlidad de la representacion simbolica que realizamos de nuestro genoma. El ordenador como “microscopio” para observar la realidad. Para descifrar como en esta secuencia estan especificadas las instrucciones que resultan en un organismo vivo.

de que tracta la bioinformàtica?

predicció de gens

predicció de gens

alineament de seqüències Margaret Dayhoff i colaboradors van començar a compilar les seqüències d’aminoàcids conegudes: els Atlas of Protein Sequence and structure. En la quarta edició a finals dels 60, l’Atlas contenia al voltant de 300 seqüències de proteïnes.

alineament de seqüències

alineament de seqüències Les seqüències d’aminoàcids i de nucleòtids són portadores de gran quantiat de informació sobre la funció i la història d’aquestes molècules: seqüències similars indiquen una funció o una història similar. El problema de determinar el grau de similitud entre dues seqüències és clau en Biologia Molecular. Query: 25 IPREVIERLARSQIHSIRDLQRLLEIDSVGSEDSLDTSLRAHGVHATKHVPEKRPLPIRR 84 IP E+ + L+ I S DLQRLL+ DS G ED + L H+ + R Sbjct: 10 IPEELYKMLSGHSIRSFDDLQRLLQGDS-GKEDGAELDLNMTRSHSGGELESLA----RG 64 Query: 85 KRSI------EEAVPAVCKTRTVIYEIPRSQVDPTSANFLIWPPCVEVKRCTGCCNTSSV 138 KRS+ E A+ A CKTRT ++EI R +D T+ANFL+WPPCVEV+RC+GCCN +V Sbjct: 65 KRSLGSLSVAEPAMIAECKTRTEVFEISRRLIDRTNANFLVWPPCVEVQRCSGCCNNRNV 124 Query: 139 KCQPSRVHHRSVKVAKVEYVRKKPKLKEVQVRLEEHLECAC 179 +C+P++V R V+V K+E VRKKP K+ V LE+HL C C Sbjct: 125 QCRPTQVQLRPVQVRKIEIVRKKPIFKKATVTLEDHLACKC 165

cerques de similaritat en bases de dades FASTA 1982: Wilbur and Lipman, 1985: Lipman and Pearson BLAST 1990: Altschul, Gish, Miller, Myers and Lipman

growth factors and oncogens. Doolittle: Search of the Platelet Derived Growth Factor sequence >sp|P01128|TSIS_SMSAV TRANSFORMING PROTEIN P28-SIS Length = 226 Score = 140 bits (350), Expect = 2e-33 Identities = 75/161 (46%), Positives = 100/161 (61%), Gaps = 11/161 (6%) Query: 25 IPREVIERLARSQIHSIRDLQRLLEIDSVGSEDSLDTSLRAHGVHATKHVPEKRPLPIRR 84 IP E+ + L+ I S DLQRLL+ DS G ED + L H+ + R Sbjct: 10 IPEELYKMLSGHSIRSFDDLQRLLQGDS-GKEDGAELDLNMTRSHSGGELESLA----RG 64 Query: 85 KRSI------EEAVPAVCKTRTVIYEIPRSQVDPTSANFLIWPPCVEVKRCTGCCNTSSV 138 KRS+ E A+ A CKTRT ++EI R +D T+ANFL+WPPCVEV+RC+GCCN +V Sbjct: 65 KRSLGSLSVAEPAMIAECKTRTEVFEISRRLIDRTNANFLVWPPCVEVQRCSGCCNNRNV 124 Query: 139 KCQPSRVHHRSVKVAKVEYVRKKPKLKEVQVRLEEHLECAC 179 +C+P++V R V+V K+E VRKKP K+ V LE+HL C C Sbjct: 125 QCRPTQVQLRPVQVRKIEIVRKKPIFKKATVTLEDHLACKC 165

predicció de l’estructura de les proteïnes

modelització molecular

disseny de fàrmacs

reconstrucció filogenètica Construcció de filogènies a partir de les seqüències compilades per Dayhoff

genomics as information science

anàlisi comparativa de genomes: Helicobacter pylori

gens humans implicats en malaties, en llevat

informàtica de microarrays

interaccions entre proteïnes

gene function

decodificació del genoma computational biology, biological computations LM Adelman, “Molecular computations of soluctions to combinatorial problems”, Science 1994. extraordinaria proximidad a la readlidad de la representacion simbolica que realizamos de nuestro genoma. El ordenador como “microscopio” para observar la realidad. Para descifrar como en esta secuencia estan especificadas las instrucciones que resultan en un organismo vivo.