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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

CENTRO TECNOLÓGICO

DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E ESTATÍSTICA

PROGRAMA DE ENSINO

1. Identificação

Disciplina:INE5449 - Tópicos Especiais em Aplicações Tecnológicas II
Nível:Graduação
Carga Horária:72 horas-aula (Teórica: 54; Prática: 18)
Vigência:De 2019-2 até 2026-1

2. Ementa

Ementa livre para assuntos relevantes na área de Aplicações Tecnológicas.

3. Cursos Relacionados

4. Objetivos

4.1 Objetivo Geral:

Compreender os princípios de organização, funcionamento e engenharia de sistemas biológicos unicelulares e também conhecer técnicas modernas de biotecnologia e biologia computacional para poder modelar, simular e analisar redes de sinalização bioquímica e redes metabólicas, e compreender formas de processamento bioquímico de informação para implementar sistemas digitais e computacionais em sistemas biológicos.

4.2 Objetivos Específicos:

  1. Compreender e correlacionar os conceitos, definições e fundamentos relacionados à biologia molecular, biotecnologia e bioengenharia.
  2. Utilizar técnicas, algoritmos, softwares e bases de dados de bioinformática para genômica, proteômica e metabolômica.
  3. Resolver numericamente equações diferencias ordinárias (parciais).
  4. Modelar reações bioquímicas e enzimáticas, simulá-las e analisar os resultados obtidos, utilizando técnicas adequadas.
  5. Modelar redes metabólicas, simulá-las e analisar os resultados obtidos, utilizando técnicas adequadas.
  6. Modelar mecanismos de regulação da expressão genética e circuitos genéticos, simulá-los e analisar os resultados obtidos, utilizando técnicas adequadas.
  7. Modelar o comportamento de bactérias, simulá-los e analisar os resultados obtidos, utilizando técnicas adequadas.
  8. Apresentar resultados científicos e técnicos em publicações, seminários e outras formas de expressão.
  9. Investigar problemas utilizando metodologia científica e planejar procedimentos adequados para testar as hipóteses levantadas
  10. Agir de forma ética e profissional, buscando a autonomia intelectual, o desenvolvimento do espírito científico e do pensamento reflexivo, e a pesquisa e investigação científica.
  11. Demonstrar condições de trabalhar e cooperar com outras pessoas em equipe e atuar como líder de equipe.

5. Conteúdo Programático

  1. Fundamentos de biologia celular e molecular [6 horas-aula]
    1. Introdução à biologia unicelular e molecular (Taxonomia, Estrutura celular e Organelas, Metabolismo, ciclo celular, Replicação, Transcrição, Tradução).
    2. Regiões gênicas, Fatores de Transcrição, Promotores, Sítios de ativação, ORFs, Splicing, Estruturas do RNA.
    3. Proteínas, Códons, Aminoácidos, Estruturas secundárias e terciárias, Funções, Enzimas.
  2. Sistemas biológicos e técnicas experimentais de biotecnologia e bioengenharia [6 horas-aula]
    1. Organismos vivos como sistemas, Projeto e engenharia de organismos vivos, estado da arte.
    2. Técnicas para genômica (Vetores de Transmissão, Enzimas de restrição, Primers, PCR, Eletroforese, Microarray) e para proteômica (Cristalografia, Ab-initio, Blast, Gel-2D, Mald-tof, etc)
  3. Técnicas computacionais de bioinformática e biologia computacional [14 horas-aula]
    1. Bancos de dados biológicos (GenBank, EBI, Swiss-prot, etc) e formatos (SBML, SBOL, PDB, etc).
    2. Ferramentas web diversas (Análise de sequência, Predição de genes, Alinhamentos, Árvores filogenéticas, Predição da estrutura e função de proteínas).
    3. Padronização, Repositórios de componentes biológicos reusáveis (biobricks, virtual parts, etc), Método de utilização de biobricks como componentes reusáveis de circuitos genéticos, iGEM.
    4. Frameworks (COPASI, BioJade, BioStudio, etc), Integração de frameworks com linguagens de programação C++ e Java, Prática com COPASI,
    5. Ferramentas (TinkerCell, VirtualCell, etc), CADs (BioCAD, GenoCAD), Prática com TinkerCell.
  4. Métodos de modelagem e simulação de vias bioquímicas, redes metabólicas e bactérias [20 horas-aula]
    1. Cinética molecular, Michaelis-Menten, Equação de Hill, Modelagem de vias bioquímicas por equações diferenciais ordinárias, Resolução numérica por Runge-Kutta
    2. Portas lógicas e circuitos eletrônicos genéticos, Biestabilidade, Osciladores, Motifs.
    3. Plano de fase, Nullclines, Estabilidade no estado estacionário, Bifurcação, Sensibilidade e Ajuste de parâmetros.
    4. Simulação e análise de vias bioquímicas com COPASI e TinkerCell.
    5. Redes metabólicas, Redes de Petri, Redes Bayesianas, Análise de balanço de fluxo.
    6. Modelagem e simulação de bactérias com linguagem de programação Gro.
  5. Processamento bioquímico de informação e biocomputação [26 horas-aula]
    1. Biossensores e bioatuadores (princípios, projeto, funcionamento, exemplos)
    2. Formas de processamento de informação (Eletrônica molecular e Bioeletrônica, Computação com DNA, Computação com RNA, Computação com Reação-Difusão química, Codificação de informação em polímeros, Proteínas como máquinas de processamento).
    3. Componentes biológicos de um sistema computacional.
    4. Circuitos sequenciais assíncronos, Síntese de circuitos digitais combinacionais e sequenciais em sistemas orgânicos, estado da arte.

6. Bibliografia Básica

  1. Alberts Bruce; Molecular biology of the cell. ISBN: 978-0-8153-4105-5.
  2. Nelson David L.; Lehninger principles of biochemistry. ISBN: 0-7167-4339-6.
  3. ARBEX, Wagner (Ed.). Talking about computing and genomics TACG: modelos e métodos computacionais em bioinformática. Brasília, DF: EMBRAPA, 2014. 199 p. ISBN 9788570353825.
  4. Apostila da disciplina fornecida pelo professor.
  5. Artigos científicos fornecidos pelo professor.

7. Bibliografia Complementar

  1. Cooper GM, Hausman RE ; The Cell: A Molecular Approach, 2013. ISBN: Sixth Edition
  2. Tanya Sienko (ed), Andrew Adamatzky, Michael Conrad, Nicholas G. Rambidi. Molecular Computing, 2003. The MIT Press. ISBN-13: 978-0262693318
  3. Evgeny Katz (ed). Biomolecular Information Processing: From Logic Systems to Smart Sensors and Actuators. July 2012.ISBN:9783527332281