Contribuições no contexto da teoria da Informação para o processamento de sinal genômico. - ARRUDA, Milena Marinho. (2022)
O crescimento dos bancos de dados biológicos e a necessidade de compreender como os muitos componentes presentes em uma célula viva estão interagindo e trabalhando juntos para execução de funções celulares são razões que justificam a aplicação interdisciplinar de teorias matemáticas, estatísticas e computacionais para análise e processamento da informação genômica. A informação genética de um organismo está codificada em moléculas de ácido desoxirribonucleico (DNA, do inglês: deoxyribonucleic acid) por meio de unidades denominadas bases. A análise e o processamento de sequências de DNA para obtenção de conhecimento biológico constituem o domínio deste documento de tese. A pesquisa desenvolvida visa integrar a teoria e os métodos de processamento de sinais e a teoria da informação para extração de informações genômicas. Um dos principais desafios é, portanto, definir uma regra de mapeamento para representação de sequências de DNA que estão, inicialmente, em um domínio simbólico, e levá-las para um domínio numérico. O primeiro resultado apresentado nesta tese considera um mapeamento unidimensional bijetivo para elementos de um corpo finito com o objetivo de analisar a hipótese de que o DNA está atuando como um código linear na transmissão da informação armazenada. Dessa maneira, existiria um código de correção de erros subjacente às sequências de DNA. Nesse contexto, é proposto um novo algoritmo para buscar códigos BCH cujas palavras - código estão a uma distância de Hamming no máximo unitária do vetor numérico resultante do mapeamento de uma dada sequência de DNA. Além disso, é demonstrado que as sequências de DNA estão distribuídas de maneira aproximadamente uniforme, sob a métrica de Hamming, em um espaço vetorial de dimensão n. Sendo assim, os polinômios geradores dos códigos que identificam coleções de sequências taxonomicamente próximas não fornecem informações biológicas suficientes para agrupar e classificar tais coleções. O segundo resultado apresentado foi alcançado com base na hipótese de que ao considerar um mapeamento fixo para todas as sequências de DNA não é possível garantir que as características intrínsecas de cada sequência estarão sendo devidamente extraídas. Portanto, são propostos dois novos algoritmos: SNR - SE e TBP - SE, ambos baseados na teoria de envoltória espectral para o cálculo desses mapeamentos. A aplicabilidade desses métodos no contexto da análise espectral para discriminação de sequências codificantes e não codificantes de proteínas é analisada e comparada com outros mapeamentos já consolidados na literatura. Nesse cenário, o algoritmo proposto, TBP-SE, teve a maior acurácia e sensibilidade entre todos avaliados. Destacando-se assim, uma vez que, nesta aplicação a sensibilidade é especialmente importante, pois, assim, a probabilidade de ter uma sequência de codificação que não será identificada é baixa. Além disso, o TBP - SE demonstrou bom desempenho até mesmo para detectar regiões com sequências de codificação mais curtas.