Desenvolvimento de ProClaT, uma ferramenta computacional para a classificação de proteínas : o caso

Abstract

Resumo: Azopirillum brasilense é uma bactéria fixadora de nitrogênio que promove o crescimento vegetal e é utilizada como bio-fertilizante na agricultura. Uma vez que o processo demanda um alto gasto de energia, a redução de N2 para NH4 + pela enzima nitrogenase ocorre apenas em condições limitantes de NH4+ e O2. Além disso, a síntese e atividade da nitrogenase são altamente reguladas para evitar o desperdício de energia. Em A. brasilense, a atividade da nitrogenase é regulada pelo produto dos genes draG e draT. O produto do gene draB, localizado a jusante do gene draG no operon draTGB, pode estar envolvido na regulação da atividade da nitrogenase, por um mecanismo ainda desconhecido. Uma análise in silico do produto do gene draB foi realizada com o objetivo de definir a sua função e provável envolvimento na regulação da fixação de nitrogênio em A. brasilense. Neste trabalho, apresentamos uma abordagem envolvendo inteligência artificial/rede neural de aprendizado de máquina para a classificação de proteínas. Esta ferramenta, denominada ProClaT, sugere que o gene draB codifica para a proteína NifO associada à nitrogenase. Esta ferramenta permitiu a reclassificação de proteínas homologas, hipotéticas, conservadas hipotéticas ou anotadas como prováveis arsenato redutases, ArsC, depositadas nos bancos de dados biológicos, em NifO. Com os resultados obtidos, uma análise de co-ocorrência dos genes draB, draT e draG e outros genes nif foi realizada, sugerindo o envolvimento do draB (nifO) na fixação de nitrogênio, embora sem a definição de uma função específica. Palavras-chave: Bioinformática, Fixação Biológica de Nitrogênio, Redes Neurais Artificiais, Classificação de Proteínas, Nitrogenase.

Abstract: Azopirillum brasilense is a plant-growth promoting nitrogen-fixing bacteria used as bio-fertilizer in agriculture. Since this process has a high energy demand, the reduction of N2 to NH4+ by nitrogenase occurs only under limiting conditions of NH4+ and O2. Moreover, the synthesis and activity of nitrogenase is highly regulated to prevent energy waste. In A. brasilense nitrogenase activity is regulated by the products of draG and draT. The product of the draB gene, located downstream in the draTGB operon, may be involved in the regulation of nitrogenase activity by an, as yet, unknown mechanism. A deep in silico analysis of the product of draB was undertaken aiming at defining its function and probable involvement in the regulation of nitrogenase activity in A. brasilense. In this work, we present an artificial inteligence/neural network, machine-learning approach for protein classification. This tool, named ProClaT, suggests that the draB gene codes for the nitrogenase associated NifO-like protein. This tool allowed the reclassification of homologous proteins, hypothetical, conserved hypothetical or annoted as putative arsenate reductase, ArsC, deposited in biological databases, into NifO. Based on these results, an analysis of co-ocurrence of draB, draT, draG and the others nif genes was performed, suggesting the involvement of draB (nifO) in nitrogen fixation, without a definition of a specific function. Keywords: Bioinformatics, Biological Nitrogen Fixation, Artificial Neural Networks, Protein Classification, Nitrogenase.