Rede biológica é um termo geral para se referir ao estudo da representação de sistemas em conjuntos complexos de interações ou relações binárias entre diversas entidades biológicas. De maneira geral, a rede, ou os grafos, pode ser representada por uma matriz , em que é o número de vértices; tais vértices podem compartilhar uma aresta se apresentarem uma relação. Tipicamente, essa matriz apresenta entradas como zero ou um, com um denotando uma aresta. Grafos ponderados podem ser utilizados para reforçar o quão forte e relevante a conexão entre dois vértices é.

Histórico

miniaturadaimagem|205x205px|Sete pontes de Königsberg. O objetivo dos estudos de Euler era traçar um caminho em que cada ponte fosse atravessada apenas uma única vez. O artigo de Leonhard Euler, publicado em 1736, sobre o problema das sete pontes de Königsberg, é considerado o primeiro resultado da teoria dos grafos. Entre 1930 e 1950, o estudo de grafos aleatórios se desenvolveu, até que em meados da década de 1990, foram descobertos diferentes tipos de redes "reais" que apresentam propriedades estruturais diferentes das redes aleatórias. No final dos anos 2000, redes de pequeno porte começaram a se apresentar sob a forma de redes biológicas e medicinais. Em 2014, métodos teóricos gráficos foram utilizados por Frank Emmert-Streib para analisar relações entre entidades biológicas.

Com uma alta produção de dados relacionados a metabolismo, transcrição e genoma, a complexidade das redes se desenvolve, o que desafiou pesquisadores a compreenderem como alguns mecanismos funcionam. Uma estratégia possível é utilizar da teoria dos grafos para analisar a natureza das relações entre diferentes entidades biológicas ao mesmo tempo e para dividir a complexidade em partes, ou em módulos, a fim de encontrar padrões recorrentes e entender os blocos de construção de atividades biológicas.

Tipos de redes na biologia

Redes de interação entre proteínas

As redes de interação proteína-proteína (protein-protein interaction networks, PINs, em inglês) representam a relação física entre proteínas presentes em uma célula, onde proteínas são os vértices, enquanto suas interações são arestas sem direção. Devido a sua natureza não direcional, é difícil identificar todas proteínas envolvidas em uma interação.

Interações proteína-proteína (PPIs, em inglês) são essenciais para processos celulares e também compões a rede mais analisada na biologia. PPIs podem ser descobertos através de diversas técnicas experimentais.

Com diversos esforços internacionais, criou-se alguns bancos de dados que catalogam interações experimentais entre proteínas, como Human Protein Reference Database, Database of Interacting Proteins, Molecular Interaction Database, IntAct e BioGRID. Por outro lado, desenvolveu-se múltiplas abordagens computacionais para prever PPIs.

Estudos recentes indicam a conservação de redes moleculares ao longo de longos períodos de tempo evolutivo. Além disso, também descobriu-se que proteínas com maiores graus de conectividade tem maior probabilidade de serem essenciais para a sobrevivência do que as com menores.

Redes de interação entre proteína e DNA O genoma codifica diversos produtos que são vitais para diversos processos, tais quais o diferenciação de células, sobrevivência da célula e metabolismo. Os genes produzem esses produtos através do processo de transcrição, regulada pela classe de proteínas chamadas de fatores de transcrição (TF). Por exemplo, o genoma humano codifica quase 1500 TF que regulam mais de 20 mil genes humanos.

O conjunto completo de produtos genéticos e suas interações compõe a rede de transcrição, que pode ser mapeada através de bancos de dados sobre a regulação de gene, como Reactome e KEGG. Diversas tecnologias de medição de ponta como microarranjo e ChIP-seq auxiliaram no processo de compreensão da complexidade dos padrões de regulação de genes.

Redes metabólicas Células quebram alimentos e nutrientes necessárias às células em moléculas menores através de uma série de reações bioquímicas. Essas reações bioquímicas são catalisadas por enzimas. O conjunto completo dessas reações bioquímicas representam a rede metabólica. Nessa rede, as moléculas menores são os vértices e podem ser constituídos de carboidratos, lipídios ou aminoácidos, enquanto as reações são as arestas. Ao estruturar a rede, é possível inferir vias metabólicas e estudar rotas de síntese através da análise dos caminhos mínimos percorridos.

Redes de coexpressão gênica Redes de coexpressão gênica podem ser interpretadas como redes de associações entre variáveis que medem os níveis de expressão dos genes, utilizando de grafos ponderados para destacar o quão relevante a relação é. Essas redes podem ser utilizadas para analisar dados de microarranjos de DNA e de sequência de RNA. Pode também, por exemplo, comportar-se como um modelo científico para estudar células infectadas pela bactéria Escherichia coli e para estudar como as associações entre os genes se modificam durante o desenvolvimento do câncer de próstata.

Sinalização celular

Sinais ocorrem no interior das células ou entre elas, formando redes complexas de sinalização que desempenham um papel fundamental na estrutura tecidual. As redes de sinalização normalmente integram redes de interação proteína-proteína, redes de regulação gênica e redes metabólicas.

Tecnologias de sequenciamento de célula única permitem extrair informações sobre a sinalização intercelular. Como exemplo . têm-se o NicheNet, que possibilita modelar a comunicação intercelular ao associar ligantes a determinados genes.

Redes neurais As interações complexas no cérebro podem ser estruturadas em uma rede biológica. Os neurônios, conectados uns aos outros, criam redes complexas nos aspectos estruturais e funcionais do cérebro. Por exemplo, propriedades de redes de pequeno mundo foram demonstradas em conexões entre regiões corticais do cérebro de primatas e durante a deglutição em humanos.

Redes na medicina As redes podem ser implementadas na medicina ao estudar como doenças se desenvolvem em pequenas mudanças nas redes complexas biológicas. As redes na medicina também auxiliam no estudo de medicamentos, contribuindo para o avanço da precisão médica. miniaturadaimagem|Exemplo de rede trófica

Rede trófica

Todos organismos são conectados através de interações de alimentares: se uma espécie se alimenta ou é alimento de outra, são conectadas na rede trófica através de uma relação entre predador e presa. A estabilidade dessas interações é um tema amplamente discutido na ecologia.

A análise da estabilidade da rede pode ser explorada através da observação da estabilidade de alimento e o quão impactante seria a remoção de determinadas espécies na rede trófica como um todo.

Redes de interações entre espécies O uso da análise de redes pode ser útil para determinar as relações entre espécies em um mesmo ecossistema, determinando a natureza de competição ou de cooperação. Além disso, pode-se observar sua diversidade, riqueza, robustez e resiliência perante ações antrópicas.

Pesquisadores também podem comparar, através de registros históricos, como as interações se transformaram ao loongo do tempo.

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