Orientador: Reginaldo Palazzo Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-12T13:34:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Albuquerque_JulioCesarHolandade_M.pdf: 1364323 bytes, checksum: 01181adde228aa4d914d7edabdde4aca (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A proposta deste trabalho é apresentar uma abordagem aos processos genéticos e moleculares, utilizando a teoria de comunicações e codificação na modelagem do dogma central da biologia molecular. A partir desta modelagem associamos o código genético a um modulador de um sistema de comunicação. Mais especificamente, tal procedimento consiste em construir uma constelação de sinais a partir dos subgrupos de S3 e S4 baseado no código genético. Considerando este método algébrico de construção de sinais, propomos duas possíveis constelações de sinais para o código genético. A representação do código genético em constelações de sinais correlacionadas deu origem à idéia de "constelação de sinais concatenadas", idéia inovadora na teoria de comunicação e codificação. As constelações de sinais concatenadas possui a propriedade de correção de erros, consistindo de novos conceitos úteis para utilização na teoria da comunicação e codificação. Por outro lado, estas representações do código genético não são únicas pois, até o presente momento, desconhecemos uma álgebra que descreva o código genético juntamente com as suas partições geradas pelos aminoácidos. / Abstract: The purpose of this work is to present an approach to the genetic and molecular processes by use of the communication and coding theory in modelling the central dogma of the molecular biology. From this modelling we associate the genetic code to a modulator in the communication system. More specifically, such a procedure consists is in the construction of a signal constellation by use of the S3 and S4 permutation subgroups based on the code genetic. By considering this algebraic method of signal design, we propose two possible signal constellations to the genetic code. The representation of the genetic code as correlated signal constellations provides the idea idea of "concatenated signal constellation", an innovative idea in communication and coding theory. The concatenated signal constellations have the property of error-correction, a new concept being introduced. On the other hand, these representations of the genetic code are not unique for currently, we do not know an algebraic structure capable of describing the genetic code together with the partitioning generated by the amino acids. / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

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Oxymonads are a group of heterotrophic flagellates living in low oxygen environment. These protists inhabit mainly the gut of xylophagous insects (cockroaches, termites), with an exception of the genus Monocercomonoides, which was described from the intestinal contents of many vertebrates. On the basis of molecular data, Oxymonadida are classified into the supergroup Excavata (Cavalier-Smith, 2002; Simpson et al., 2006, Hampl et al. 2009). This thesis was focused on the diversity of genus Monocecomonoides from the morphologically simplest family Polymastigidae. The main goal of our work was to gather sequence data from strains isolated from a wide spectrum of hosts. We have obtained 26 partial sequences of the gene for the SSU rDNA in total, of which two belonged to another oxymonad, apparently genus Oxymonas. Our phylogenetic analysis indicated that the representatives of the genus Monocercomonoides form one group, however with a low bootstrap support. On the basis of published data about the presence of non-canonical genetic code in some oxymonads (Keeling and Leander, 2003; de Koning et al., 2008), we decided to explore this rare phenomenon in representatives of the genus Monocercomonoides. For this part of the study we gathered 9 partial sequences of α-tubulin gene. In these sequences we have not...

O estudo dos processos quebra espontânea de simetria na natureza têm atraído interesse em diversas áreas da física, como por exemplo em física quântica no estudo das energias de um átomo tal como em física de altas energias, no estudo das partículas elementares. Esses processos até então envolviam sistemas físicos microscópicos, em 1993 surge uma proposta de agregar as idéias de quebra de simetria à um sistema macroscópico, o código genético. A idéia básica é que os códons que formam código se diferenciam em um processo de quebra de simetria, preservando suas propriedades de degenerescência, nos dando uma \"picture\" de como se fez essa diferenciação que resultam nos 20 aminoácidos e do sinal de terminação que se conhece nos dias atuais. Esse modelo nos diz por exemplo, quantos eram os aminoácidos primordiais. Nosso interesse está na verificação dessa quebra de simetria e estudar as relações entre os códons do ponto de vista temporal para tanto, usamos aqui um sistema dinâmico. Esse sistema conserva no princípio de sua evolução a simetria proposta pelo modelo e através de um processo de quebra de simetria estudaremos se esse processo reproduz a cadeia de quebra de simetria proposta no modelo. Como primeiro passo estudamos a representação tridimensional do grupo Sp( 6), que serve como ponto de partida no processo de quebra de simetria no modelo, essa representação é conhecida como grupo de Weyl do Sp(6). É possível construir um sistema dinâmico ou mapa, que na verdade é uma função do R3, com as mesmas propriedades de simetria do grupo de Weyl do Sp(6). A construção desse sistema e seu estudo matemático acarreta no segundo passo deste trabalho. O mapa construído depende de parâmetros que variados de forma correta produzem uma cadeia de quebra de simetria. O estudo dessa quebras consiste no terceiro passo deste trabalho. Por fim determinamos a ação ou seja, como esse sistema muda a rotulação dos códons anteriormente proposta no modelo e mais ainda, que informação biológica poderá ser extraída desse sistema. Como resultado obtivemos em grande parte a ratificação do modelo proposto mostrando que a quebra proposta e a rotulação dos códons de acordo com a ordem evolutiva dada pela quebra de simetria segue também uma coerência dinâmica. / The study of natural symmetry breaking processes have attracted interest in many physics areas including energy atoms studies in quantum physics as well elementary particles in high energy physics. These processes were related with microscpics physic systems, in 1993 appears one propose to use the ideas of symmetry breaking in one macroscopic system the genetic code. The basic idea is that the differentiation of the codons wich are components of the code was done in a process of symmetry breaking preserving the degeneracy properties given to us one picture of how this process occour resulting in 20 aminoacids and termination sign known in the present days. With this model for example, we can predict how many aminoacids were primordial\'s. Our interest is in verify this symmetry breaking and study the codon temporal relations for this we use a dynamical system. The preservation of the starting symmetry proposed by the model is the main caracteristic of our system and through of the symmetry breaking we will study what relations between the symmetry breaking proposed by the model and the dynamical symmetry breaking. As a first step we will study the group Sp(6) in its tridimensional representation which is the starting point in the symmetry breaking process in the mode!. This representation in known as Weyl group of Sp(6). It is possible construct this dynamical system or map, which is one function in the R3 with the same symmetry properties of the Weyl group of Sp(6). The construction of this map and its mathematical study is our second step of this work. The map depends on parameter\'s which are changed in a correct way to produce some symmetry breaking chain. The symmetry breaking studies is our third step. At the end we look at the action of our map in the codons, in other words, how this action change the codons labelling proposed by the model Moreover, what kind of biological information can be extract from this action. As a result the symmetry breaking and the labelling of codons proposed by the model are isomophics, with little restrictions, when compared with the dynamical systems.

O código genético é altamente conservado e está presente na maior parte dos organismos vivos. Uma questão que tem intrigado os cientistas é se o código genético é fruto do acaso ou de um processo evolutivo. Se qualquer associação entre aminoácidos e códons é possível, então existem cerca de 1, 51 × 1084 códigos possíveis. A hipótese de que o código genético evoluiu é suportada por sua robustez frente a mutações. Duas metodologias tem sido utilizadas para estudar esta hipótese: a abordagem estatística, que estima o número de códigos aleatórios melhores que o código genético padrão, e a abordagem por engenharia, que compara o código padrão com os melhores códigos hipotéticos obtidos por meio de um algoritmo de otimização. A utilização de ambas abordagens têm sido feita considerando-se apenas uma função objetivo, baseada na robustez frente a mutações quando uma determinada propriedade dos aminoácidos é considerada. Neste trabalho, propõe-se considerar mais de um objetivo simultaneamente para a avaliação dos códigos genéticos. Para isso, três abordagens multiobjetivo utilizando Algoritmos Genéticos são empregadas. São elas: abordagem lexicográfica, ponderada e de Pareto. Os resultados indicam que a utilização de mais de um objetivo é promissor, sendo os códigos hipotéticos gerados mais similares ao código genético padrão, quando comparados com os resultados obtidos por outros autores. / The genetic code is highly preserved and it is present in most living organisms. If we consider all codes mapping the 64 codes into 20 amino acids and one stop codon, there are more than 1.51 × 1084 possible genetic codes. The main question related to the organization of the genetic code is why exactly the standard code was selected among this huge number of possible genetic codes.The hypothesis that the genetic code has evolved is supported by its robustness against mutations. Many researchers argue that the organization of the standard code is a product of natural selection and that the codes robustness against mutations would support this hypothesis. Two methodologies have been used to investigate this hypothesis: the first one is the statistical approach which estimates the number of random codes which are better than the standard genetic code. The second is the engineering approach, which compare the standard code with the best hypothetical codes obtained by an optimization algorithm. Both approaches have been used considering only one objective function, which is usually based on the robustness against changes using the polar requirement. In this research, we propose to consider more than one objective simultaneously for the evaluation of genetic codes. For this purpose, three approaches using multi-objective genetic algorithms were employed, are they: lexicographic, weighted, and Pareto-based. The results indicate that considering more than one objective function is promising: the hypothetical codes generated are more similar to the standard genetic code, when compared with the results obtained by the monoobjective approach.

O propósito deste trabalho é dar uma contribuição ao projeto iniciado por Hornos & Hornos que visa explicar as degenerescências do código genético como resultado de sucessivas quebras de simetria ocorridas durante sua evolução. O modelo matemático usado requer a construção de todas as representações irredutíveis de dimensão 64 das álgebras de Lie simples (chamadas representações de códons) e a análise de suas regras de ramicação sob redução a subalgebras. A classicação de todas as possibilidades é baseada na classicação das subalgebras maximais das álgebras de Lie semisimples obtida por Dynkin. No presente trabalho, os resultados de Dynkin são apresentados em linguagem e notação moderna e são aplicados ao problema de construir todas as possíveis cadeias de subalgebras maximais das álgebras de Lie simples B_6 = so(13) e D_7 = so(14) e de identicar aquelas que reproduzem as degenerescências do código genético. / The purpose of this work is to make a contribution to the project initiated by Hornos & Hornos which aims at explaining the degeneracy of the genetic code as the result of a sequence of symmetry breaking that occurred during its evolution. The mathematical model employed requires the construction of all 64-dimensional irreducible representations of simple Lie algebras (called codon representations) and the analysis of their branching rules under reduction to sub-algebras. The classification of all possibilities is based on Dynkins classification of the maximal sub-algebras of semi-simple Lie algebras. In the present work, Dynkins results are presented in modern language and notation and are applied to the problem of constructing all possible chains of maximal sub-algebras of the simple Lie algebras B_6 = so(13) and D_7 = so(14) and of identifying all those that reproduce the degeneracies of the genetic code.

Neste trabalho resolvemos o problema da classicação dos possíveis esquemas de quebra de simetria que reproduzem as degenerescências do código genético na categoria dos grupos finitos simples, contribuindo assim para a busca de modelos algébricos para a evolução do código genético, iniciada por Hornos & Hornos. / In this work we solve the problem of classifying the possible symmetry breaking schemes based on simple finite groups that reproduce the degeneracies of the genetic code, thus contributing to the search for algebraic models that describe the evolution of the genetic code, initiated by Hornos & Hornos.

O propósito deste trabalho é dar uma contribuição ao projeto iniciado por Hornos & Hornos que visa explicar as degenerescências do código genético como resultado de sucessivas quebras de simetria ocorridas durante sua evolução. O modelo matemático usado requer a construção de todas as representações irredutíveis de dimensão 64 das álgebras de Lie simples (chamadas representações de códons) e a análise de suas regras de ramicação sob redução a subalgebras. A classicação de todas as possibilidades é baseada na classicação das subalgebras maximais das álgebras de Lie semisimples obtida por Dynkin. No presente trabalho, os resultados de Dynkin são apresentados em linguagem e notação moderna e são aplicados ao problema de construir todas as possíveis cadeias de subalgebras maximais das álgebras de Lie simples B_6 = so(13) e D_7 = so(14) e de identicar aquelas que reproduzem as degenerescências do código genético. / The purpose of this work is to make a contribution to the project initiated by Hornos & Hornos which aims at explaining the degeneracy of the genetic code as the result of a sequence of symmetry breaking that occurred during its evolution. The mathematical model employed requires the construction of all 64-dimensional irreducible representations of simple Lie algebras (called codon representations) and the analysis of their branching rules under reduction to sub-algebras. The classification of all possibilities is based on Dynkins classification of the maximal sub-algebras of semi-simple Lie algebras. In the present work, Dynkins results are presented in modern language and notation and are applied to the problem of constructing all possible chains of maximal sub-algebras of the simple Lie algebras B_6 = so(13) and D_7 = so(14) and of identifying all those that reproduce the degeneracies of the genetic code.

Orientador: Cesar Martins / Coorientador: Guilherme Targino Valente / Banca: Marcelo Ricardo Vicari / Banca: Danilo Pinhal / Resumo: Cromossomos B, também conhecidos como supernumerários, são considerados elementos dispensáveis ao organismo. Porém, alguns estudos têm apresentado evidências de uma possível funcionalidade destes cromossomos extras. São encontrados em muitas espécies de eucariotos, entre elas, Astatotilapia latifasciata, ciclídeo africano que possui de 1 a 2 cromossomos B. Os ciclídeos têm sido muito utilizados como organismos modelo para estudos genéticos e genômicos. Análises genômicas em larga escala prévias envolveram sequenciamento por next generation (Illumina HiSeq sequencing) de genomas sem cromossomo B (B-) e com cromossomo B (B+) de A. latifasciata e uma forma variante do gene hnRNP Q-like (Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein Q-like) foi identificada. Esta sequência apresenta um alto número de cópias e características de retrogene no cromossomo B. Diante disso, foi objetivo do presente trabalho compreender a organização genômica, identificar os mecanismos de retro-inserção e fazer análises de expressão desta sequência, possibilitando um melhor entendimento da origem, evolução e possíveis efeitos deste cromossomo na espécie estudada. A partir de análises de bioinformática foram identificadas cópias variantes do gene hnRNP Q-like no genoma B+ e as regiões mais representativas foram selecionadas, de acordo com o grau de mutações, para demais estudos. Análises de fragmentos sequenciados e qPCR confirmaram que o gene possui maior número de cópias e ausência de íntrons no cromossomo B. Evidências de resquícios de domínios da transcriptase reversa de elementos transponíveis sugerem que o gene foi retroinserido no cromossomo B. Dados de qPCR em cDNA mostraram que, apesar de possuir mais cópias no genoma B+, o gene hnRNP Q-like não é diferencialmente expresso nos genomas B+ e B- / Abstract: B chromosomes, also known as supernumerary, are considered dispensable elements to organisms. However, some studies have presented evidences of a possible functionality of this extras chromosomes. They are observed in many eukaryote species, such as in the African cichlid, Astatotilapia latifasciata, which might have one or two B chromosomes. Cichlids have been used as model organisms to genetics and genomics studies. Previous genomic analyses based on next generation sequencing (Illumina HiSeq sequencing) were realized in the whole genome without B chromosome (B-) and with B chromosomes (B+) of A. latifasciata and a variant form of hnRNP Q-like (Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein Q-like) gene was identified. This sequence presented a high copy number and characteristics of a retrogene in B chromosomes. Thus, the aim of this study consists in comprehend genomic organization, identify retroinsertion mechanisms and perform expression analyses of the hnRNP Q-like gene, making it possible a better understanding of origin, evolution and possible effects of this chromosomes in the studied species. Bioinformatics analyses identified variant copies of hnRNP Q-like gene in B+ genome and the higher and lower variable regions of the gene were selected, based in mutation rates, for further analysis. Analyses from sequenced fragments and qPCR confirmed gene has a higher number of copies and do not present introns in B chromosome. Evidences of transposable element relics with reverse transcriptase domains suggest gene was retroinserted in B chromosome. The data of qPCR in cDNA showed that the hnRNP Q-like gene is not differentially expressed in both genomes (with and without B chromosome) / Mestre

O código genético é altamente conservado e está presente na maior parte dos organismos vivos. Uma questão que tem intrigado os cientistas é se o código genético é fruto do acaso ou de um processo evolutivo. Se qualquer associação entre aminoácidos e códons é possível, então existem cerca de 1, 51 × 1084 códigos possíveis. A hipótese de que o código genético evoluiu é suportada por sua robustez frente a mutações. Duas metodologias tem sido utilizadas para estudar esta hipótese: a abordagem estatística, que estima o número de códigos aleatórios melhores que o código genético padrão, e a abordagem por engenharia, que compara o código padrão com os melhores códigos hipotéticos obtidos por meio de um algoritmo de otimização. A utilização de ambas abordagens têm sido feita considerando-se apenas uma função objetivo, baseada na robustez frente a mutações quando uma determinada propriedade dos aminoácidos é considerada. Neste trabalho, propõe-se considerar mais de um objetivo simultaneamente para a avaliação dos códigos genéticos. Para isso, três abordagens multiobjetivo utilizando Algoritmos Genéticos são empregadas. São elas: abordagem lexicográfica, ponderada e de Pareto. Os resultados indicam que a utilização de mais de um objetivo é promissor, sendo os códigos hipotéticos gerados mais similares ao código genético padrão, quando comparados com os resultados obtidos por outros autores. / The genetic code is highly preserved and it is present in most living organisms. If we consider all codes mapping the 64 codes into 20 amino acids and one stop codon, there are more than 1.51 × 1084 possible genetic codes. The main question related to the organization of the genetic code is why exactly the standard code was selected among this huge number of possible genetic codes.The hypothesis that the genetic code has evolved is supported by its robustness against mutations. Many researchers argue that the organization of the standard code is a product of natural selection and that the codes robustness against mutations would support this hypothesis. Two methodologies have been used to investigate this hypothesis: the first one is the statistical approach which estimates the number of random codes which are better than the standard genetic code. The second is the engineering approach, which compare the standard code with the best hypothetical codes obtained by an optimization algorithm. Both approaches have been used considering only one objective function, which is usually based on the robustness against changes using the polar requirement. In this research, we propose to consider more than one objective simultaneously for the evaluation of genetic codes. For this purpose, three approaches using multi-objective genetic algorithms were employed, are they: lexicographic, weighted, and Pareto-based. The results indicate that considering more than one objective function is promising: the hypothetical codes generated are more similar to the standard genetic code, when compared with the results obtained by the monoobjective approach.