O que é Bioinformática e como contribui com a sua abordagem para uma análise pandêmica?

por | ago 17, 2020

Introdução

Como a Bioinformática pode nos auxiliar, cientificamente, contra o vírus Sars-Cov-2? A Bioinformática é uma área que emprega ferramentas computacionais no estudo de problemas a fim de analisar, modelar e simular sistemas biológicos abrangendo também as aplicações relacionadas à saúde humana, sequenciando nucleotídeos até estruturas proteicas, investigando potenciais inibidores e rotas de ação dos fármacos, alcançando, por fim, diversas áreas do conhecimento. Subdivida em duas grandes vertentes: a Clássica – alinhamento de sequências e a Bioinformática estrutural – estrutura e função de moléculas (DNA, RNA).

Dessa forma, a bioinformática é capaz de deduzir a forma e a função de uma proteína a partir de uma dada sequência de aminoácidos; encontrar todos os genes e proteínas em um determinado genoma, determinar áreas na estrutura da proteína, onde as moléculas da droga podem ser anexadas – ferramentas essências no combate a uma pandemia.

Alinhamento de sequências e a origem do SARS-CoV-2

A manipulação de sequências possui um custo-benefício baixo, o que nos permite lidar com os genomas inteiros, possibilitando a realização de analises de indivíduos ou populações, nos aproximando do entendimento dos organismos e sua complexidade biológica. Com a ferramenta de bioinformática de alinhamento de sequência, se consegue traçar a história evolutiva de um conjunto de organismos e construir redes de interação de um determinado organismo, tecido ou tipo celular. Na emergência global surgiu-se o questionamento: como um vírus ultrapassa os limites das espécies para infectar seres humanos de uma maneira tão eficiente? Com o alinhamento de genomas foi possível apresentar algumas evidências científicas sobre as possíveis origens do novo Coronavírus e auxiliar na prevenção de futuros eventos zoonóticos.

"The proximal origin of SARS-CoV-2." Nature Medicine (2020): 1-3. https://www.nature.com/articles/s41591-020-0820-9ano.

Figura1: Linha azul = genoma (RNA) com apróx. 30.000 bases. Linha vermelha = proteína Spike, o qual possui RBD (Receptor Bending D), um domínio receptor de ligação. Alguns aminoácidos são responsáveis pelo encaixe da proteína Spike com a célula hospedeira. A imagem demonstra o genoma do SARS-CoV-2, do Pangolim, o SARS-CoV e duas outras análises de espécies de morcego. Há similaridade das proteínas que fazem contato da proteína Spike do vírus com o receptor (proteína ACE2).

 

Lam, Tommy Tsan-Yuk, et al. "Identifying SARS-CoV-2 related coronaviruses in Malayan pangolins." Nature (2020): 1-6.

Figura 2: foi realizado um sequenciamento metagenômico que, em linhas gerais é o sequenciamento de várias espécies misturadas, ou seja, não apresenta a análise de um único genoma. Nessa análise identificaram o corona vírus associado aos Pangolins que pertencem a duas sub-linhagens de corona vírus, muito relacionados à Sars-Cov2. Uma dessas linhagens exibe semelhança com o domínio RBD (domínio de ligação com o receptor humano ACE2). Então, através da descoberta da filogenia (múltiplas linhagens de corona e pangolim) e de bioinformática, se deu a descoberta da possível origem da pandemia, o qual os pangolins são os possíveis hospedeiros.

https://nextstrain.org/ncov/global acessado em 12/08

Imagens fornecidas do Nextstrain, um monitoramento em tempo real de patógenos - repositório público de genomas sequenciados, viabilizado devido ás análises de alinhamento de sequências, uma ferramenta clássica da Bioinformática. Figura 3: Filogenia e seus países – Brasil: laranja, China: roxo. A visualização radial obtém a analise bioinformática e suas mutações, através das análises de alinhamento e evolução dessas sequências. Figura 4 e 5: o mapa e a tabela demonstram a diversidade e as mutações, além de possibilitar a filtração de visualizações de 07/12 até o dia atual.

Reposicionamento de fármacos

A Bioinformática estrutural atual têm se empenhado no estudo da Covid19, atuando no reposicionamento de fármaco, desenho e estudo de novas moléculas que se liguem ao Coronavírus através da ação de neutralização de alguma proteína.

O desenvolvimento de um fármaco demora anos, da etapa do desenho da molécula e até as várias simulações e as análises in vitro. O reposicionamento é abordar fármacos com suas estruturas e particularidades aprovados dentre as suas legislações, com funções ainda não utilizadas. Exemplo de um reposicionamento é o fármaco Sindenafil, utilizado (inicialmente) para a Hipertensão Arterial Pulmonar – Revatio e depois se descobriu a sua função de disfunção erétil – Viagra.

https://compsysbio.ornl.gov/nonstructural-protein-3-nsp3-papain-like-proteinase/ acessado 12/08

 

Figura 6: NSP3 - proteína não estrutural essencial para a replicação do SARS-CoV-2 e representa um alvo promissor para o desenvolvimento de medicamentos antivirais.

A estratégia é optar por um alvo terapêutico (por exemplo, a proteína Spike), depois desenvolver simulações de dinâmicas moleculares por meio de computação para a geração de diversas conformações estáveis, ou seja, estruturas diversificadas. Após isso, realiza-se uma triagem em larga escala em bibliotecas (banco de dados) de compostos. Além disso, realize-se a ligação desse alvo (por biologia computacional), da melhor forma possível com o sitio ativo dessa proteína. As que são mais promissoras (que se alinham melhor) são alvos, então, efetuam-se os testes in vitro, in vivo e, por fim, testes clínicos.

Logo, o reposicionamento de fármacos, utilizando das ferramentas de bioinformática estrutural, reduz os ricos na falha da utilização do fármaco, reduz o tempo de produção, desenvolvimento e o custo financeiro envolvido em todo o processo.

Perspectivas Futuras

A análise de dados tornou-se uma ferramenta central para estudar a evolução da pandemia COVID-19. Isso resultará em testes clínicos que irão avaliar a eficácia e ação nos hospedeiros da COVID-19. Percebe-se, dessa forma, que as ferramentas de bioinformáticas são essenciais para agilizar o processo de investigação de potenciais inibidores e rotas de ação dos fármacos, economizando em testes biológicos. E com a ação de uma determinada estrutura, os processos de testes são acelerados de forma a contribuir com a busca de vacinas e medicamentos contra esse patógeno, de forma que comprovamos em ensaios de bioinformática que a edição gênica é uma estratégia promissora para combater o novo Coronavírus e que a ciência avance e agilize a busca de medicamentos eficazes para tratar a pandemia.

Referências:

https://rdu.unc.edu.ar/handle/11086/15568 acessado em 12/08

https://cienciasmedicasbiologicas.ufba.br/index.php/nit/article/view/36008/20915  acessado 12/08

https://nextstrain.org/ncov/global acessado em 12/08

https://www.youtube.com/watch?v=9_J6MjI2LXY&list=PLbbfJexkb4Vya12DGd3P0MFs4ajFYgIDm&index=32

Andersen, Kristian G., et al  "The proximal origin of SARS-CoV-2." Nature Medicine (2020): 1-3. https://www.nature.com/articles/s41591-020-0820-9

Lam, Tommy Tsan-Yuk, et al. "Identifying SARS-CoV-2 related coronaviruses in Malayan pangolins."

https://compsysbio.ornl.gov/nonstructural-protein-3-nsp3-papain-like-proteinase/

https://www.youtube.com/watch?v=AVdLAiZZYXo&list=PLbbfJexkb4Vya12DGd3P0MFs4ajFYgIDm&index=15

Autor: Kissyla Vitória Reis Vitalino, graduanda de Bioquímica da Universidade Federal de Viçosa, membro do Centro Acadêmico de Bioquímica da UFV e da Empresa Júnior de Bioquímica da UFV – Polimerize.

E-mail: kissylareis021@gmai.com 

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O movimento Bioquímica Brasil foi fundado em 2014 por egressos e estudantes dos cursos de Bioquímica.

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