Biologia + Ciências Naturais

Um modelo computacional que simula uma cianobactéria

ResearchBlogging.org

Uma coisa que sempre me interessou foi informática e uma possibilidade da biologia que me fascina é a possibilidade de criar modelos computacionais para sistemas biológicos. Esses modelos atualmente são amplamente usados na meteorologia e oceanografia para prever correntes e impactos de obras portuárias ou a dispersão de óleo depois de um derramamento. As possibilidades são tão amplas com sistemas “simples” como os climáticos que imaginar as aplicações disto em sistemas biológicos é um exercício de pura criatividade.

Um grupo de pesquisadores liderado por Jason E. McDermott do Grupo de Bioinformática e Biologia Computacional do Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste conseguiram o feito de transformar uma cianobactéria em um modelo computacional para simular seus processos genéticos. Para que? Para ligar e desligar genes in silico e ver o que acontece sem ter que fazer aqueles tediosos procedimentos de knockout.

Um Digimon! É basicamente isso!

O organismo em questão é a cianobactéria Cyanothece, um gênero com características bem singulares. Por exemplo, as cianobactérias geralmente formam colônias onde uma/algumas delas especializam-se em fixar nitrogênio, o Heterocisto, enquanto as demais fazem fotossíntese. O nitrogênio fixado é extremamente importante para o desenvolvimento das cianobactérias, outras algas marinhas e plantas terrestres. Alias, cianobactérias são as principais fontes de nitrogênio dos oceanos. O que Cyanothece faz é simplesmente alternar entre um tipo e outro de operação a cada 12 horas, fixando nitrogênio à noite e carbono durante o dia.

Para seu feito, mapearam a ativação e expressão de genes da cianobactéria em um ciclo de 24 horas. Isto revelou que genes eram ativados, quando, durante que tipo de operação e assim por diante. Depois plotaram isto em um gráfico, muito interessante por sinal, que mapeia as cadeias de ativação de todo o genoma. Usando estatística, puderam calcular que genes eram expressos e identificar grupos, dentre estes, os que eram expressos recursivamente foram apontados como possíveis controladores. Outros genes usados como possíveis controladores para o modelo são genes da Cyanothece que podem ser encontrados em outros organismos fotossintéticos como Arabidopsis thaliana, Anabaena e bactérias como E. coli.

mapa-transcriptoma-cyanothece
O gráfico mais parece um mapa mental do que outra coisa. Ele mostra que cadeias de genes são ativadas em cada ciclo de operação da bactéria (dia e noite). Os genes são os pontos individuais. As cores são agrupamentos, indicam que estes genes são ativados em conjuntos. Os quadrados são genes ativados frequentemente dentro dos grupos, geralmente controladores.

É interessante como o tipo de informação que a ciência produz atualmente exige abordagens mais criativas para sem analisadas.

O próximo passo foi montar um modelo de como a cianobactéria funciona e usar o gráfico para testá-lo. O modelo já existia e fora usado para estudos semelhantes em outros organismos. Usando os dados levantados anteriormente, submeteram o modelo a condições semelhantes às que as Cyanothece foram submetidas no laboratório e este respondeu de forma bastante semelhante. Depois foi só desativar alguns genes e ver que falta eles faziam no sistema, um processo de tentativa erro que se feito usando biologia molecular demoraria uma vida mas que no computador, é uma questão de “Editar>Preferências>Executar”.

Agora os pesquisadores buscam comprovar a eficiência de seu modelo com novos experimentos (no velho estilo) e aperfeiçoá-lo para uso em outros estudos.

Artigo:
McDermott, J., Oehmen, C., McCue, L., Hill, E., Choi, D., Stöckel, J., Liberton, M., Pakrasi, H., & Sherman, L. (2011). A model of cyclic transcriptomic behavior in the cyanobacterium Cyanothece sp. ATCC 51142 Molecular BioSystems DOI: 10.1039/C1MB05006K

Via ScienceDialy

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