{"id":2085,"date":"2013-03-27T18:41:14","date_gmt":"2013-03-27T21:41:14","guid":{"rendered":"http:\/\/scienceblogs.com.br\/synbiobrasil\/?p=2085"},"modified":"2013-03-27T18:41:14","modified_gmt":"2013-03-27T21:41:14","slug":"brincando-de-comparar-codons","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/2013\/03\/27\/brincando-de-comparar-codons\/","title":{"rendered":"Brincando de Comparar C\u00f3dons"},"content":{"rendered":"

Sou daquelas pessoas que simplesmente n\u00e3o conseguem dormir direito com um mist\u00e9rio. Essa \u00e9 uma obsess\u00e3o que provavelmente muitos cientisas (e “wannabe scientists”, como eu) t\u00eam. \u00c0s vezes ficamos obcecados com uma coisa muito importante, \u00e0s vezes com uma coisa banal e muitas vezes com algo que voc\u00ea nunca parou para pensar direito. O mais emocionante \u00e9 que qualquer resposta de uma d\u00favida tem aquela probabilidade m\u00e1gica de revelar algo impressionante ou bem \u00fatil. Hoje (dia dessa postagem), fiquei obcecado por tentar entender “na pr\u00e1tica” qual \u00e9 a grande ideia da otimiza\u00e7\u00e3o de c\u00f3dons e o quanto os organismos podem ter prefer\u00eancias de c\u00f3dons diferentes.\u00a0 Aqui est\u00e1 o registro da investiga\u00e7\u00e3o do pequeno mist\u00e9rio de hoje!<\/p>\n

C\u00f3dons, Otimiza\u00e7\u00f5es e Prefer\u00eancias<\/h2>\n

Antes de discorrer sobre o que andei brincando. Uma pequena contextualiza\u00e7\u00e3o ao intr\u00e9pido viajante sobre o que s\u00e3o c\u00f3dons, porque eles precisam ser otimizados e o que diabos \u00e9 essa “prefer\u00eancia de c\u00f3dons”.<\/p>\n

C\u00f3dons s\u00e3o os trios de combina\u00e7\u00f5es de letrinhas A,T,C e G do DNA (os nucleot\u00eddeos) que, depois de transcritos a RNA (em que a grande diferen\u00e7a \u00e9 que os “T’s” s\u00e3o substitu\u00eddos por “U’s”), s\u00e3o literalmente traduzidos em amino\u00e1cidos<\/a>; ou seja: tr\u00eas nucleot\u00eddeos codificam um\u00a0 amino\u00e1cido. A grande coisa dos c\u00f3dons \u00e9 que eles s\u00e3o redundantes: existe mais de uma maneira de um amino\u00e1cido espec\u00edfico ser traduzido \u00e0 partir dos trios de nucleot\u00eddeos. Os cientistas fizeram uma tabela espertinha que “decodifica” nucleot\u00eddeos em amino\u00e1cidos:<\/p>\n

\"codons_aminoacids_table\"<\/a>

Comece lendo do centro at\u00e9 \u00e0s bordas do c\u00edrculo combinando as letras que voc\u00ea for olhando pelo caminho. Por exemplo: U+A+C = Tyr, abrevia\u00e7\u00e3o de Tirosina.<\/p><\/div>\n

\u00a0Mas a\u00ed voc\u00ea se pergunta: “Querida Natureza, qual \u00e9 o prop\u00f3sito disso!?”. A redund\u00e2ncia da leitura de amino\u00e1cidos tem uma implica\u00e7\u00e3o muito importante na conserva\u00e7\u00e3o do c\u00f3digo gen\u00e9tico; ela \u00e9 a \u00faltima barreira espertinha da contra muta\u00e7\u00f5es no DNA. Imagine que o “C” do c\u00f3don UAC que traduz uma Tirosina fosse mutado e virasse um “U” (dando UAU): gra\u00e7as \u00e0 redund\u00e2ncia de tradu\u00e7\u00e3o, o amino\u00e1cido Tirosina ainda continua sendo traduzido! Pra\u00a0 se ter uma ideia de como isso \u00e9 importante, uma \u00fanica substitui\u00e7\u00e3o de amino\u00e1cidos (o que pode acontecer com uma \u00fanica muta\u00e7\u00e3o de nucleot\u00eddeos) j\u00e1 pode gerar doen\u00e7as (pesquise sobre Anemia Falciforme<\/a><\/span>).<\/span><\/p>\n

Enfim, concluindo: existem muitos c\u00f3dons que podem ser traduzidos em diferentes tipos de amino\u00e1cidos. Como existem muitas op\u00e7\u00f5es, diferentes organismos costumam a ter prefer\u00eancias por diferentes c\u00f3dons para traduzir amino\u00e1cidos espec\u00edficos – por exemplo: n\u00f3s Humanos adoramos traduzir Arginina como AGA e AGG<\/a>, j\u00e1 uma das bact\u00e9rias do nosso coc\u00f4, a E.coli, acha muito mais interessante traduzir Arginina como CGU e CGC<\/a>. Vai entender esses procariotos viu!<\/p>\n

Mas porque isso acontece? Porque evolutivamente cada esp\u00e9cie foi selecionada em um ambiente particular, o que implica em diferentes necessidades de estabilidade do DNA em diferentes contextos, e portanto diferentes porcentagens de C e G, e A e T no genoma. Essas porcentagens direcionam quais c\u00f3dons os organismos preferem.<\/p>\n

Por causa de tudo isso, quando algum cientista vai fazer o design de um peda\u00e7o de DNA, \u00e9 preciso colocar a sequ\u00eancia no contexto do organismo a ser utilizado, deixando os c\u00f3dons “otimizados” para cada ser vivo – caso contr\u00e1rio, os genes inseridos no organismo ser\u00e3o pouco ou nada expressos.<\/p>\n

Investigando leveduras<\/h2>\n

Mais profundamente, resolvi brincar dessas coisas querendo responder uma pergunta: “O qu\u00e3o compat\u00edvel os c\u00f3digos gen\u00e9ticos de duas esp\u00e9cies de leveduras podem ser?”. No caso, Pichia pastoris e Saccharomyces cerevisiae.<\/p>\n

Primeiramente eu entrei no “Codon Usage Database<\/a>“. Procurando por Pichia e Saccharomyces, o site d\u00e1 uma tabela com a frequ\u00eancia de se encontrar determinado c\u00f3don a cada mil pares de base. Eu peguei os resultados e coloquei num site chamado “Text Diff<\/a>”\u00a0– ele compara dois textos e mostra as diferen\u00e7as e igualdades entre os dois. Com a compara\u00e7\u00e3o, dei print screen e destaquei as frequ\u00eancias mais discrepantes entre as duas esp\u00e9cies de levedura, obtendo o seguinte diagrama:<\/p>\n

\"Compara\u00e7\u00e3o<\/a>

Texto em vermelho: Pichia. Texto em Verde: Saccharomyces. Laranja – diferen\u00e7a de 4 a 5; Rosa – diferen\u00e7a de 6 a 9; Amarelo – diferen\u00e7a acima de 10; C\u00f3dons circulados – frequ\u00eancias iguais.<\/p><\/div>\n

Fui atr\u00e1s de cada c\u00f3don, procurando o que codifica. Cheguei na seguinte tabela:<\/span><\/p>\n

\u00a0\"Pichia<\/a><\/p>\n

Eu chamei de “efici\u00eancia de c\u00f3dons” o qu\u00e3o os c\u00f3dons de Pichia funcionam em Saccharomyces, tomando como “c\u00f3dons incompat\u00edveis” aqueles com diferen\u00e7a de no m\u00ednimo 4 entre as frequ\u00eancias de c\u00f3don em cada esp\u00e9cie (a marca\u00e7\u00e3o em amarelo na imagem de compara\u00e7\u00e3o das frequ\u00eancias) – tamb\u00e9m estou tomando como hip\u00f3tese que h\u00e1 uma rela\u00e7\u00e3o direta entre frequ\u00eancia de c\u00f3don e a prefer\u00eancia do mesmo por determinada esp\u00e9cie. Cheguei nesses valores atrav\u00e9s da porcentagem do n\u00famero de c\u00f3dons “compat\u00edveis” (totais –\u00a0 incompat\u00edveis). De 20 amino\u00e1cidos poss\u00edveis, apenas 7 seriam seus c\u00f3dons prontamente compat\u00edveis.<\/p>\n

Ambas as esp\u00e9cies s\u00e3o leveduras, e por isso eu esperava uma maior compatibilidade natural. O problema \u00e9 que eu n\u00e3o tenho um controle para saber se a usagem de c\u00f3dons de cada levedura \u00e9 realmente discrepante. Por isso, fiz a mesma compara\u00e7\u00e3o entre Pichia e E.coli. Como esses organismos s\u00e3o bem mais diferentes (um \u00e9 eucarioto e outro procarioto), esperei uma diferen\u00e7a bem maior. (veja imagem abaixo)<\/p>\n

\"Compara\u00e7\u00e3o<\/a>

Texto em vermelho: Pichia. Texto em Verde: E.coli. Laranja – diferen\u00e7a de 4 a 5; Rosa – diferen\u00e7a de 6 a 9; Amarelo – diferen\u00e7a acima de 10; C\u00f3dons circulados – frequ\u00eancias iguais.<\/p><\/div>\n

Legenda: Laranja – diferen\u00e7a de 4 a 5; Rosa – diferen\u00e7a de 6 a 9; Amarelo – diferen\u00e7a acima de 10; C\u00f3dons circulados – frequ\u00eancias iguais.<\/p>\n

Como esperado, d\u00e1 pra ver claramente o quanto E.coli e Pichia s\u00e3o diferentes em compara\u00e7\u00e3o com Pichia e Sccharomyces. Nesse panorama, eu diria em Pichia e Saccharomyces s\u00e3o bem parecidas. Quanto mais compara\u00e7\u00f5es forem feitas mais certeza se ter\u00e1 do qu\u00e3o um organismo se parece com outro.<\/p>\n

Otimiza\u00e7\u00e3o de C\u00f3dons<\/h2>\n

Apesar de eu n\u00e3o ter certeza da rela\u00e7\u00e3o direta entre frequ\u00eancia e prefer\u00eancia de c\u00f3don, consegui observar coisas muito interessantes: a \u00fanica inviabilidade de tradu\u00e7\u00e3o correta entre Pichia e Saccharomyces de amino\u00e1cido \u00e9 o Glutamato, em que as frequ\u00eancias de todas as possibilidades de c\u00f3dons n\u00e3o entram na minha classifica\u00e7\u00e3o de “c\u00f3dons compat\u00edveis” (diferen\u00e7a de frequ\u00eancia menor que 3). O resto dos c\u00f3dons podem ser compatibilizados entre esp\u00e9cies usando-se vers\u00f5es alternativas de c\u00f3don para um mesmo amino\u00e1cio! \ud83d\ude42<\/p>\n

Quando se otimizam c\u00f3dons para deixar um plasm\u00eddeo compat\u00edvel em diferentes plataformas, faz-se exatamente isso. O problema \u00e9 que mesmo assim a express\u00e3o ainda n\u00e3o \u00e9 \u00f3tima, ent\u00e3o em geral prefere-se “sacrificar” a compatibilidade do plasm\u00eddeo em diferentes esp\u00e9cies para se ter um plasm\u00eddeo com os melhores c\u00f3dons em cada bichinho.<\/p>\n

Existem v\u00e1rios programas que fazer essa otimiza\u00e7\u00e3o de c\u00f3dons rapidamente, mas em geral as empresas que sintetizam DNA j\u00e1 incluem isso (de gra\u00e7a ou n\u00e3o) no planejamento do plasm\u00eddeo a ser sintetizado.<\/p>\n

Conclus\u00e3o<\/h2>\n

Por fim, a conclus\u00e3o que tirei disso tudo \u00e9: eu ACHO que um gene de Pichia funcionaria suficientemente bem em Saccharomyes e vice-versa. No caso de n\u00e3o conseguirmos sintetizar os genes que precisamos j\u00e1 c\u00f3don-atimizados, talvez valha a pena fazer uma mistureba de DNA interesp\u00e9cies – mas s\u00f3 para as leveduras!<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Sou daquelas pessoas que simplesmente n\u00e3o conseguem dormir direito com um mist\u00e9rio. Essa \u00e9 uma obsess\u00e3o que provavelmente muitos cientisas (e “wannabe scientists”, como eu) t\u00eam. \u00c0s vezes ficamos obcecados com uma coisa muito importante, \u00e0s vezes com uma coisa banal e muitas vezes com algo que voc\u00ea nunca parou para pensar direito. O mais […]<\/p>\n","protected":false},"author":490,"featured_media":2086,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_monsterinsights_skip_tracking":false,"pgc_sgb_lightbox_settings":"","_vp_format_video_url":"","_vp_image_focal_point":[],"footnotes":""},"categories":[2,4,16],"tags":[136,137,202,394,412,497,513,538],"class_list":["post-2085","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-alguns-fundamentos-basicos","category-bancos-de-dados","category-introducao-a-biologia-sintetica","tag-codon-usage","tag-codons","tag-e-coli","tag-otimizacao-de-codons","tag-pichia-pastoris","tag-saccharomyces-cerevisiae","tag-sintese-de-dna","tag-tabela"],"jetpack_featured_media_url":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-content\/uploads\/sites\/246\/2013\/03\/codons_aminoacids_table.png","_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2085","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/users\/490"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2085"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2085\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/media\/2086"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2085"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2085"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2085"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}