Institutul National de Cercetare-Dezvoltare

pentru Tehnologii Izotopice si Moleculare

ENGLISH

---

Programul:	IDEI
Tipul proiectului:	Proiecte de cercetare exploratorie
Cod proiect:	PN II IDEI cod ID_32

Organizarea secventelor de codare in genomul microbian; modelarea autoregresiva

---

• Rezumat
• Obiective
• Activitati
• Rezultate
• Personal
• Publicatii
• Impact

---

Director de proiect: C.S.I. Dr. Ioan Turcu
E-mail:     Ioan.Turcu@itim-cj.ro

---

Rezumat:

Obiectiv: Modul de organizare supramoleculara al secventelor de codare din genomul bacterian modelarea se efectueaza cu procese autoregresive. Se stabileste ca organizarea ADN se bazeaza pe o interactiune slaba intre termeni (lungimea secventelor de codare). Acest mod de organizare este de tipul distanta – scurta si nu distanta – lunga (sau fractal).

Noutatile absolute aduse de proiect sunt urmatoarele:
- Modul organizare al ADN (lungimea secventelor de codare) este caracterizat de proprietati de corelare de distanta scurta.
- Semnalarea confuziei, la scara mare, din literatura prin care structuri si fenomene cu organizare temporala si spatiala de distanta scurta sunt confundate cu structuri fractale precum si modalitatea de a evita aceasta confuzie.
- Organizarea genomului bacterian este descrisa de modele autoregresive de ordinul 1 si ordin superior unde parametrul fundamental este factorul de interactiune intre termenii seriei.
- Fenomenele pot fi categorisite convenabil in structuri (fenomene) cu interactiune slaba (cazul ADN microbian), interactiuni puternice (proteinele) sau interactiune medie (alte cazuri in afara preocuparilor prezentului proiect).
- Programe MATLAB pentru modelarea unor structuri si fenomene cu procese autoregresive.

Se estimeaza ca aceste rezultate sunt publicabile in reviste ISI (Physical Review E, Fluctuation and Noise Letters, Modern Physics Letters, Journal of Statistical Mechanics Theory and Experiment).

Utilitatea cercetarii: se construieste o metodologie de evaluare comparativa a organizarii ADN si proteinelor, cu impact in biofizica moleculara, biologia moleculara si genomica etc.

Inapoi

---

Obiective:

1. – 2007: Generarea de modele autoregressive si caracterizarea spectrala a seriilor de date

2. – 2008: Caracteristici de corelare ale modelelor autoregresive; Caracterizarea spectrala a seriilor de date privind secventele de codare pentru organisme bacteriene model

3. – 2009: Modelarea spectrelor seriilor secventelor de codare din genomul bacterian prin modele autoregresive de ordin superior; Cercetari privind organizarea si modelarea genomului bacterian la diverse specii

4. – 2010: Diseminare si raport final

Inapoi

---

Activitati:

1. – 2007: Programare in MATLAB. Analiza spectrala a serilor de date autoregressive; redactare articol pentru revista cotata ISI

2. – 2008: Analiza prin metoda “Detrended fluctuation analysis” a serilor de date; redactare articol pentru revista cotata ISI; Programare in MATLAB; extragerea tendintei din serile de date; medierea spectrelor; fitare cu modelul autoregresiv de ordin 1.

3. – 2009: Programare MATLAB; verificare pe serii de date provenite din genomul bacterian al unor cazuri model; Analiza spectrala si identificare modelului autoregresiv optim pentru specii bacteriene selectate; redactare articol pentru revista cotata ISI

4. – 2010: Redactari de lucrari si comunicari

Inapoi

---

Rezultate:

• FAZA 1 / 2007:

• S-a realizat o analiza comparativa a seriilor fluctuante de date stabilindu-se similaritatile dintre doua metode: Detrended Fluctuation Analysis respectiv analiza spectrala.
• A fost elaborat un program editat in MATLAB care genereaza spectrele teoretice de putere pentru modele autoregresive de orice ordin.
• A fost dezvoltata o metoda numerica de analiza a periodicitatilor in spectrele de putere ale proceselor autoregresive

Anexe

• FAZA 2 / 2008:

• S-a demonstrat caracterul de tip short range al corelatiilor care exista in seria lungimilor secventelor de codare din genomul bacterian.
• A fost conceput si realizat un program MATLAB care identifica si caracterizeaza cantitativ corelarea existenta in seriile numerice caracteristice proceselor autoregresive de ordinul 1 (AR 1).
• Seria lungimii secventelor de codare ale bacteriei „B.subtilis” a fost investigata prin doua metode complementare: analiza spectrala respectiv modelarea autoregresiva de tip AR 1.

Anexe

• FAZA 3 / 2009:

• Analiza periodogramelor mediate ale seriilor date cuprinzand lungimile secventelor coding pentru diferite specii de bacteria si archaea pun in evidenta efecte de corelare semnificative.
• A fost dezvoltata o noua metoda destinata analizei organizarii secventelor de codare din genom bazata pe aplicarea unor tehnici de detrendare a fluctuatiilor seriilor de date urmata de o modelare de tip autoregresiv.
• In scopul implementarii noii metode a fost dezvoltat un software editat in MATLAB, aplicabilitatea acestuia fiind validata pe o serie de genomuri bacteriene.
• Modelarea autoregresiva de ordin 1 este in general suficienta pentru analiza spectrelor (periodogramelor) mediate.
• Modelele autoregresive de ordin superior fiteaza mult mai bine periodograma, dar informatiile oferite sunt in esenta similare celor obtinute prin fitatrea cu AR(1). In analiza secventelor coding din genom, se impune separarea datelor pe cele doua helixuri.
• Dependenta dintre exponentul spectral de corelare si factorul de interactiune este liniara pentru cele doua helixuri (dominant si recesiv).
• In cazul investigarii intregului genom, dependenta nu mai este liniara datorita faptului ca cele doua helixuri actioneaza unul asupra celuilalt.

Anexe

• FAZA 4 / 2010:

• S-au elaborat metode matematice de analiza a secventelor de codare din genom si dezvoltarea unor produse de tip software capabile sa puna in practica aceste metode.
• Programele informatice dezvoltate in intervalul 2007-2010 constituie un produs finit, functional, inregistrat si validat in cadrul INCDTIM.
• Rezultatele obtinute in cadrul acestui proiect de cercetare au fost valorificate prin publicarea in reviste de specialitate (8 lucrari stiintifice publicate in reviste indexate ISI) si prin comunicarea acestora in cadrul unor conferinte stiintifice (9).

Anexe

Inapoi

---

Personal:

Nr. crt.	Nume si prenume	Anul nasterii	Titlul didactic stiintific *	Doctorat
1	Turcu Ioan	1955	CSI	DA
2	Morariu V. Vasile	1943	CSI	DA
3	Neamtu Silvia	1956	CSIII	Doctorand
4	Buimaga-Iarinca Luiza	1981	Cercetator	Doctorand
5	Hossu Mihaela	1979	Cercetator	DA

Inapoi

---

Publicatii:

1. Oana Zainea , V. Morariu, The length of coding sequences in a bacterial genome: evidence for short-range correlation, Fluctuation and Noise Letters, vol 7 No 4, 2007 L501-L506(2007)
2. V. Morariu, Distribution and correlation of the coding sequence lenghts in bacterial genome Rev. Chim. 59, 11, 1201-1204 (2008)
3. L. Buimaga-Iarinca, V. Morariu, Short range correlation of the erythrocyte membrane fluctuations, JPCS Volume, 182, (2009), 012005
4. V. Morariu, L. Buimaga-Iarinca, Autoregressive modeling of coding sequence lengths in bacterial genome, Fluctuation and Noise Letters, 9(1), L47-L59 (2010).
5. V. Morariu, C. Vamos, A. Pop, S. Soltuz, L. Buimaga-Iarinca, Autoregressive Modeling of the Variability of an Active Galaxy, Rom. Journ. Phys 55, (7-8), (2010).
6. V. Morariu, C. Vamos, A. Pop, S. Soltuz, L. Buimaga-Iarinca, O. Zainea, Autoregressive modeling of biological phenomena, Biophys. Rev. Lett. 5(3), 1-20, (2010).
7. V. Morariu, L. Buimaga-Iarinca, Autoregressive modeling of coding sequence lengths in bacterial genome, Fluct. Noise Lett., 9(1), L47-L59 (2010).
8. Buimaga-Iarinca Luiza, Vasile V. Morariu, Noises and trends in autoregressive modeling, send to Modern Physics Letters B

Articole publicate in reviste indexate in baze de date internationale:

1. Luiza Buimaga-Iarinca, Silvia Neamtu, Mihaela Mic, I. Turcu, Comparative analysis of bacillus subtilis and escherichia coli sakai genomes. The high order autoregressive method, Rom. J. Biophys. 20(3) 203-211 (2010).
2. Vasile V. Morariu, A limiting rule for the variability of coding sequence length in microbial genomes ArXiv:0805.1289, Quantitative Biology

Comunicari la Conferinte

1. C. Morari, D. Bogdan and I. Turcu, Towards rapid DNA sequencing - ab-initio study of nucleotide sandwiched between Au(111) plates, the 7th European Biophysics Congress Genoa, Italy, July 11-15 (2009)
2. C. Morari, D. Bogdan and I. Turcu, Electronic structure of DNA's base pairs in-between noble metal plate:“ab initio” study, XXth International Symposium on Bioelectrochemistry and Bioenergetics, Sibiu, Romania, 10-14 May (2009)
3. Diana Bogdan, I. Turcu and C. Morari, Ab-initio study of DNA nucleotides squeezed between Au(111) electrodes: applications to DNA sequencing technology, X-th National Conference of Biophysics (CNB 2009) 1-3 October 2009, Cluj-Napoca, Romania.
4. L Buimaga-Iarinca, V. Morariu, Short range correlation of the erythrocyte membrane fluctuations, PIM 2009, 24-26 September 2009, Cluj-Napoca, Romania.
5. Luiza Buimaga-Iarinca, Noise and trend influences in autoregressive modeling, Exploratory workshop: New tendencies in computational biophysics, 4-6 June 2009, West University, Timisoara, Romania
6. L. Buimaga-Iarinca, V Morariu, Short range correlation of the erythrocyte membrane fluctuations, National Conference of Biophysics, 1-3 October 2009, Cluj-Napoca, Romania
7. L. Buimaga-Iarinca, S. Neamtu, M. Mic, I. Turcu, Characterization of bacterial genomes by autoregressive models, First International Conference on Analytical and Nanoanalytical Methods for Biomedical and Environmental Sciences IC-ANMBES – 2010, Brasov, Romania, June 18-20 (2010).
8. Luiza Buimaga-Iarinca, Silvia Neamtu, Mihaela Mic, Ioan Turcu, The influences of noise and trend in autoregressive modeling, Conferinta Nationala de Fizica, Iasi, 23-25 Septembrie (2010).
9. Silvia Neamtu, Luiza Buimaga-Iarinca, Mihaela Mic, Ioan Turcu, High order autoregressive models used for bacterial genome analysis, Conferinta Nationala de Fizica, Iasi, 23-25 Septembrie (2010).

Inapoi

---

Impactul proiectului:

Academic

Din punct de vedere academic, proiectul a avut un impact important contribuind la urmatoarele:

• i) imbogatirea cunostintelor din domeniul genomicii;
• ii) atragerea de studenti catre activitatea de cercetare;
• iii) formarea de tineri cercetatori.

Derularea proiectului a demarat cu echipa de cercetare din care, in afara directorului de proiect, faceau parte doi doctoranzi, un tanar cercetator si un cercetator cu experienta.

Unul dintre cei doi doctoranzi Dr. Oana Zainea si-a sustinut teza de doctorat in anul 2008, tematica acestei teze fiind  Proprietăţi de corelare ale proteinelor şi ADN-ului. Dr. Oana Zainea a beneficiat in mod concret de sustinerea financiara oferita de proiect, este coautor la o buna parte din articolele stiintifice publicate in cadrul acestui proiect, iar tematica tezei ei de doctorat este in relatie directa cu tematica proiectului.

Drd Oana Zainea a parasit definitiv tara in 2008, indata dupa sustinerea tezei, iar in locul ei in echipa de cercetare au fost inclusi, cu cate o jumatate de norma, Gabriell Mate si Emoke Horvath, masteranzi la Universitatea Babes-Bolyai. Ei au contribuit efectiv la dezvoltarea unor programe informatice utilizate in cadrul acestui proiect, rezultatele obtinute concretizandu-se in redactarea unui articol pentru o revista cotata ISI, aflata in prezent in faza de analiza la referenti.

Drd. Luiza Buimaga-Iarinca are ca subiect al tezei de doctorat: Analiza fluctuatiilor celulare. Intregul studiu a avut la baza metodele si modelele matematice utilizate in cadrul proiectului. Lucrarea de doctorat a fost sustinuta in catedra in luna septembrie 2010, obtinand aviz favorabil, si urmeaza a fi sustinuta public in luna ianuarie 2011. Activitatea de cercetare pe aceasta tematica s-a concretizat prin publicarea in calitate de coautor sau autor principal a unui numar de 5 articole in reviste indexate ISI si 3 articole publicate in revista indexata BDI.

Noutatile de ordin stiintific aduse de acest proiect ofera comunitatii stiintifice internationale o noua metoda de investigare a organizarii genomului. S-a demonstrat existenta unor corelatii de vecinatate intre secventele coding din genomul bacterian si s-a efectuat o investigatie detaliata si riguroasa a acestor corelatii pentru un set numeros de specii si tulpini bacteriene. Au fost identificate si caracterizate cantitativ similitudinile dintre diferite specii bacteriene precum si diferentele specifice relevante.

Tehnologic

A fost dezvoltata o metoda noua, originala, bazata pe modele autoregresive de ordin superior AR(p) care s-a dovedit a fi extrem de adecvata caracterizarii succesiunii secventelor coding din genom.

Din punct de vedere tehnologic impactul proiectului consta in realizarea unui program informatic complex, format din mai multe module, care permite investigarea statistica a seriilor numerice. In particular acest produs a fost utilizat pentru investigarea modului de organizare a informatiei genetice in cazul bacteriilor, dar aplicabilitatea acestuia nu este restransa la acest domeniu de utilizare. Alte domenii in care produsul poate fi utilizat sunt astrofizica, econometria, etc. Mentionam ca metoda de analiza propusa are de asemenea multiple utilizari si a fost validata prin compararea rezultatelor obtinute cu rezultate din literatura (rezultate publicare in reviste indexate ISI).

Social

Din punct de vedere social impactul major al proiectului a constat in crearea de noi locuri de munca permitand atragerea catre activitatea de cercetare a masteranzilor Emoke Horvath si Gabriell Mate. Din pacate reducerea fondurilor alocate cercetarii in general si ale prezentului proiect in special s-au constituit in dificultati financiare importante care au condus in final la parasirea echipei de cercetare de catre tinerii masteranzi. In prezent cei doi fosti masteranzi implicati in proiect sunt doctoranzi cu frecventa in universitati de prestigiu din strainatate.

Inapoi

---