Linhas de Pesquisa
Nosso grupo de pesquisa tem como objetivo entender e modelar as interações moleculares que definem os microorganismos, buscando compreendê-los de forma global. Para isso, utilizamos a abordagem da Biologia Sistêmica: a partir da obtenção de dados experimentais em larga-escala utilizamos ferramentas de bioinformática para analisar e integrar dados experimentais, levando a formulação de um modelo capaz de descrever e prever o comportamento da célula. A integração e exploração dos dados leva a formulação de hipóteses que serão testadas experimentalmente – validando ou refutando o modelo proposto, de forma iterativa. Para que este ciclo iterativo seja realizado, é necessária a colaboração interdisciplinar entre a Biologia, Computação e Matemática.
Para entender um organismo como um todo, estamos utilizando o microorganismo Halobacterium salinarum NRC-1 como modelo. Este procarioto unicelular vive em condições extremas de salinidade, possui um genoma compacto, e é facilmente cultivado e manipulado em laboratório. Este extremófilo possui características interessantes para aplicações biotecnológicas, estudos em astrobiologia e vem se tornando um organismo modelo no domínio Archaea no contexto da Biologia Sistêmica, culminando na elaboração de um modelo para a rede de regulação gênica global.
Apesar da alta capacidade descritiva e preditiva do modelo proposto, este ainda não contempla detalhes sobre os mecanismos moleculares. Nosso grupo pretende trabalhar na inserção de detalhes sobre mecanismos nos modelos globais de regulação gênica, sendo necessário vencer desafios experimentais e de bioinformática. Atualmente, estamos trabalhando na caracterização de RNAs não-codificantes de H. salinarum e sua influência na regulação gênica. Espera-se que a inserção de detalhes sobre mecanismos moleculares em modelos globais de regulação gênica impulsione os esforços em Biologia Sintética para engenherar sistemas biológicos.
Conceitos Chave
Biologia Sistêmica
A Biologia Sistêmica é o ramo da ciência que busca entender os organismos biológicos em todos os seus níveis, desde a caracterização de suas partes constituintes (genes, RNAs, proteínas, metabólitos), a elucidação das interconexões entre os distintos membros dessas redes de interações, até a compreensão do organismo como um todo.
Os sistemas biológicos são dinâmicos, utilizando de circuitos celulares complexos para implementar diversas funções, como crescer, se diferenciar e reproduzir. Tecnologias em escala genômica que exploram dados de transcritoma, proteoma, interações proteína-proteína, proteína-DNA, proteína-RNA, entre outros, representam poderosas ferramentas para as análises sistêmicas. Contudo, cada um desses conjuntos individuais de dados não refletem uma visão global do comportamento celular, uma vez que a complexidade dos organismos vivos é uma propriedade emergente, inerente não só a genes, RNAs, proteínas ou metabólitos, mas é uma consequência de suas ações e interações.
Extremófilos
Nos ambientes mais extremos do planeta, como os arredores de um vulcão, imaginamos um lugar extremamente quente e tóxico, um lugar desolado e nada favorável a vida. Nos desertos de sal a mesma imagem se repete. Porém, esta primeira impressão pode nos levar ao engano, estes ambientes vem se mostrado ricos em vida, populados por organismos que receberam o nome de extremófilos.
Os extremófilos são organismos peculiares em vários aspectos. Os ambientes extremos em que vivem é bastante diversificado: podemos encontrar extremófilos que vivem sobre camadas de gelo (psicrófilos), que se banham em ácido sulfúrico (acidófilos) e que vivem em situações de hipersalinidade (halófilos). Outro aspecto interessante encontrado nestes organismos é a adaptação do seu metabolismo e de sua maquinaria molecular para sobreviver.
A maioria dos extremófilos se encontra em 2 dos 3 grandes domínios da vida Bacteria e Archaea, ambos representados por microrganismos procariotos; porém, é possível encontrar representantes também no domínio Eukarya. Existem diversos exemplos clássicos de extremófilos cujo estudo foi importante para aplicações biotecnológicas. Por exemplo, a bactéria Thermus aquaticus e a archaea Pyrococcus furiosus, que vivem em altas temperaturas, fornecem DNA polimerases de grande valia para o aprimoramento da técnica de PCR (reação em cadeia de polimerase). Organismos como a bactéria Deinococcus radiodurans, que é extremamente resistente a radiação, vácuo, frio e ácidos são chamados de poliextremófilos.
Bioinformática
A Bioinformática é uma área multidisciplinar que aplica conhecimentos da informática, matemática e física, na busca de soluções para questões biológicas oriundas de campos de pesquisa como Biologia Molecular e Bioquímica.
Através da bioinformática, vários métodos foram desenvolvidos para melhor compreensão dos processos moleculares que ocorrem nos organismos. Hoje os pesquisadores tem a sua disposição bancos de dados para armazenar um volume de informação nunca antes imaginado e algoritmos para manipular dados produzidos em larga escala através de técnicas como sequenciamento de última geração e espectometria de massa. Além disso, é necessário um corpo de técnicas estatísticas e computacionais que auxiliam na compreensão do grande volume de dados obtidos e que sejam capazes de fornecer maior poder explicativo dos processos biológicos.
Regulação da Expressão Gênica
Como as células do seu corpo se diferenciam e executam as mais distintas funções? Como os seres humanos se tornaram os organismos mais complexos, até então descobertos? O que governa a capacidade que os seres vivos possuem de responder a estímulos e de se adaptarem a ambientes inóspitos? O que torna a vida possível?
As respostas para todas essas perguntas sobrecaem sobre uma das mais básicas característica dos organismos vivos, a regulação da expressão gênica. Células dotadas do mesmo conteúdo gênico podem se especializar e passar a desempenhar papéis distintos. Além disso, estímulos externos ou internos podem modificar a função de uma célula ou até mesmo desencadear respostas sistêmicas.
Essa cascata de modificações sofridas pelas células durante a diferenciação celular, ou diante a um estímulo é devido a ativação de genes, que controlam outros genes, cujas atividades estão associadas a ativação ou repressão de vários processos biológicos (replicação, transcrição, tradução, morte celular, reparo do DNA, ciclo celular, produção de energia, etc).
