Modelo de sistema de comunicações digital para o mecanismo de importação de proteinas mitocondriais atraves de codigos corretores de erros

Orientadores: Reginaldo Palazzo Junior, Marcio de Castro Silva Filho

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação

Made available in DSpace on 2018-08-15T16:43:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rocha_AndreaSantosLeiteda_D.pdf: 5117477 bytes, checksum: e8f0c742c67382cad01387d3e62f6705 (MD5) Previous issue date: 2010

Um dos desafios em biologia matemática e mostrar a existência de qualquer forma de códigos corretores de erros na estrutura do DNA. Usando os conceitos da teoria de comunicação, propomos um modelo para o sistema de codificacao e decodificaçao do mecanismo de importaçao de proteínas mitocondriais similar a um sistema de comunicacoes digital. Este modelo consiste de um mapeador responsável por transformar os nucleotídeos (A, C, G, T) no alfabeto (0,1, 2, 3) usado pelo codigo sobre a estrutura de anel; um codificador (cádigo BCH); e um modulador (codigo genetico, tRNA e rRNA). O processo de decodificaçao baseia-se em uma analogia entre o processo de decodificacão do algoritmo Berlekamp-Massey para aneis e o complexo TOM (complexo ancorado na membrana externa da mitocondria responsavel por auxiliar na importacçãao das proteínas precursoras). Neste processo temos um demodulador (proteínas Tom 70 e Tom20), um decodificador (o complexo GIP - poro geral de inserção) e o receptor (subcompartimento mitocondrial). Neste trabalho mostramos que as sequencias de DNA (sequencias de direcionamento) são identificadas como palavras-codigo de um código G-linear sobre a extensão de um anel de Galois. Além disso, essas sequências de DNA e suas fitas complementares estão relacionadas matematicamente através dos polinómios primitivos e seus polinómios recíprocos, respectivamente. Um estudo filogenético sugere que a proteína malato desidrogenase da Arabidopsis thaliana encontrada no banco de dados NCBI e uma sequência derivada da proteína malato desidrogenase reproduzida pelo cídigo corretor de erros. Este modelo também reproduz com notível precisão os parâmetros cinéticos baseados em substituicões de aminoíacidos em oligopeptídeos sintéticos. Apresentamos, pela primeira vez, a existência de códigos corretores de erros associados com as sequências de DNA, os quais sugerem fortemente a existência de códigos concatenados no genoma. Os resultados apresentados neste trabalho contribuem para o desenvolvimento de um procedimento sistemático que podera ser empregado em analises de mutacães/polimorfismos com aplicações na engenharia geníetica.

One of the puzzling problems in mathematical biology is to show the existence of any form of error-correcting code in the DNA structure. Using information theory considerations we propose a model for the biological coding system similar to that of a digital communication system. This model consists of a mapper (transformations from the set of nucleotides either to the set (0, 1, 2, 3) ring; an encoder (BCH code); and a modulator (genetic code, tRNA and rRNA). The decoding process is based on the Modified Berlekamp-Massey algothm in an analogy with the TOM complex (translocase of the mitochondrial outer membrane). In this process we have a demodulator (Tom 70 and Tom 20 proteins), a decoder (GIP complex) and the receiver (mitochondrion). In this work we show that DNA sequences (targeting sequences) are identified as codewords of a G-linear code over Galois ring extensions. In addition, these DNA sequences and their complementary strands are mathematically related to the primitive polynomials and their reciprocal polynomials, respectively. A phylogenetic study suggest that the MDH protein, Arabidopsis thaliana, found in the NCBI databank is a derived sequence of the MDH protein reproduced by the error correcting code. This model also reproduces with remarkable accuracy kinetic parameters based on amino acid substitutions on synthetic oligopeptides. We show, for the first time, the existence of error-correcting codes associated with DNA sequences, which strongly infer on the existence of nested codes within the genome. The results presented in this work contribute to the development of a systematic procedure which may be employed in the mutations/polymorphisms analysis with applications in genetic engineering.

Doutorado

Telecomunicações e Telemática

Doutor em Engenharia Elétrica