Trilha 1 – Introdução à Bioinformática

Antes de pensar em programar algo, é necessário compreender a razão pela qual se está programando. Esta trilha é o ponto de partida de nossas aulas, buscando auxiliar na construção do vocabulário e a intuição necessários para, mais adiante, aplicar tudo isso à toxicologia computacional.

O que é bioinformática?

Os dados biológicos crescem de forma massiva. Desde a revolução do big data, sequenciamentos genéticos, estruturas de proteínas, registros biomédicos, dentre outros dados, geram um volume de informação sem precedentes.

Para transformar esse volume de dados em informação, surge a Bioinformática. Ela une os dados biológicos às ferramentas computacionais, aplicando abordagens estatísticas e matemáticas para organizar, cruzar e extrair sentido dessas informações.

A bioinformática possui, principalmente, três grandes pilares:

As várias faces da bioinformática

A bioinformática é um campo extremamente diverso e multifacetado, com aplicações consolidadas em grandes setores da sociedade, como a agronomia e produção agrícola, onde pode auxiliar, atuando no melhoramento genético de culturas e no desenvolvimento de cultivares mais resistentes; saúde humana e animal, na descoberta de diagnósticos avançados, rastreamento de epidemias e medicina de precisão; além das várias aplicações em biotecnologia e meio ambiente.

Para atender a esses diferentes setores, a bioinformática se organiza em diversas frentes de especialização, como as ciências ômicas, a bioinformática estrutural, a biologia de sistemas e a quimioinformática e toxicologia computacional, que trabalha com a estrutura química de moléculas para prever suas propriedades físicas, atividades biológicas e potenciais riscos toxicológicos. É exatamente nesta frente que vamos nos aprofundar ao longo deste curso.

Conceitos básicos em computação

Antes de escrever qualquer código, vale a pena entender algumas ideias fundamentais:

Termos chave

Linguagens de programação

Uma linguagem de programação é uma forma padronizada de “conversar” com o computador, sendo um conjunto de regras que traduz o que queremos em uma instrução que a máquina consegue executar.

Existem dezenas de linguagens, cada uma com pontos fortes diferentes. Em ciência de dados e bioinformática, as mais usadas são:

Python

Python se tornou a linguagem mais popular em ciência de dados e bioinformática por alguns motivos simples:

Bibliotecas

Uma biblioteca é um conjunto de códigos prontos, escritos e testados por outras pessoas, que você pode “importar” e usar no seu próprio script.

Algumas bibliotecas que vamos usar ao longo do curso:

Bancos de dados, big data e curadoria

Um banco de dados é um repositório estruturado, organizado e pesquisável que armazena informações científicas de forma padronizada. Alguns dos principais bancos de dados públicos e amplamente utilizados incluem:

Contudo, a grande quantidade de dados não garante, por si só, a sua utilidade e sua qualidade. É nesse ponto que a curadoria de dados torna-se uma etapa crucial ao revisar, padronizar e tratar sistematicamente os dados antes de qualquer análise computacional. Este cuidado possibilita a identificação de inconsistências, removendo duplicatas e corrigindo erros de formatação. Um repositório massivo sem a devida curadoria contém ruídos, dados truncados e erros estruturais que comprometem a confiabilidade dos modelos preditivos e das análises estatísticas.

A bioinformática e a toxicologia

A toxicologia tradicional depende fortemente de testes em laboratório, como ensaios em células, em animais, ou observações clínicas na determinação do risco de moléculas. Esse processo é valioso, mas também é lento, caro e levanta questões éticas importantes, especialmente quando envolve testes em animais.

A bioinformática, mais especificamente, a quimioinformática, oferece um caminho complementar: usar a estrutura química de uma molécula para prever, computacionalmente, propriedades como toxicidade, absorção ou risco ambiental.

Essa abordagem se conecta diretamente ao princípio dos 3Rs da experimentação animal:

Por fim, a toxicologia computacional

A toxicologia computacional é a aplicação prática de tudo o que vimos até aqui: usar dados, algoritmos e bibliotecas científicas para prever o comportamento toxicológico de substâncias químicas a partir de sua estrutura molecular.

O fundamento básico dessa abordagem reside na relação entre a estrutura química e a atividade biológica (SAR/QSAR). A forma como os átomos de uma molécula estão arranjados no espaço e a maneira como seus elétrons se distribuem determinam como essa substância interage com alvos biológicos, como receptores, enzimas e membranas celulares.

Para traduzir essa estrutura em dados numéricos manipuláveis por algoritmos, calculam-se os chamados descritores moleculares. Propriedades físico-químicas como massa molar, coeficiente de partição, área de superfície polar e capacidade de formar ligações de hidrogênio funcionam como uma assinatura da molécula, permitindo estimar parâmetros de absorção, distribuição, metabolismo, excreção e toxicidade (ADMET) antes mesmo de qualquer ensaio in vitro ou in vivo.

Nas próximas etapas desta jornada, faremos a ponte teórica entre a biologia e a ciência da computação. Você irá conhecer diferentes abordagens in silico para a avaliação de segurança de compostos e compreender como o computador interpreta uma molécula química, desde a sua codificação em notações textuais até o papel conceitual de ferramentas de quimioinformática.