As aplicações da bioinformática na tecnologia microbiana

Bioinformática é uma disciplina desenvolvida com base na biologia, matemática e ciência da computação. Adquire e analisa efetivamente dados biológicos, como sequências de ácidos nucleicos e estruturas de proteínas, para realizar análises biológicas abrangentes e precisas. A bioinformática é uma ferramenta extremamente importante para estudar os microrganismos, que são amplamente distribuídos e altamente variados. No âmbito da microbiologia, a organização e aplicação de dados através de bioinformática pode melhorar profundamente a qualidade da investigação microbiana.

Introdução à Bioinformática

Bioinformática representa um campo interdisciplinar, sintetizando conceitos de ciência da computação, matemática e biologia. A disciplina envolve a obtenção, processamento, armazenamento, distribuição, análise e interpretação de dados biológicos, recorrendo a metodologias computacionais e matemáticas, e utilizando ferramentas biológicas para elucidar e compreender a riqueza de informações encapsuladas em conjuntos de dados tão grandes. O objetivo de bioinformática é enriquecer dados biológicos e aplicar algoritmos computacionais para a sua análise. Essencialmente, preocupa-se com a análise, armazenamento e troca de vastas quantidades de dados biológicos. Para a bioinformática, o conteúdo biológico representa o objetivo da pesquisa, a entidade e o objeto, enquanto a ciência da informação fornece a plataforma de pesquisa, tecnologias e meios.

Reconhecida como uma ciência interdisciplinar emergente, Bioinformática evoluiu para uma das disciplinas científicas de mais rápido desenvolvimento nas últimas duas décadas. Este crescimento é atribuível não apenas a avanços significativos nas metodologias de pesquisa, desenvolvimentos tecnológicos dentro da Biologia, particularmente o progresso contínuo na tecnologia ómica, que resulta em volumes de dados biológicos em crescimento exponencial, mas também ao ritmo acelerado da Ciência da Informação, especialmente na tecnologia da Ciência da Computação. Consequentemente, o armazenamento e a análise de grandes volumes de dados genómico, transcriptómicoe os conjuntos de dados proteómicos já não são desafios computacionais. O advento de algoritmos computacionais tópicos, como Aprendizagem de Máquina e Inteligência Artificial, permite uma compreensão mais profunda e a extração de dados biológicos, aprofundando o nosso conhecimento sobre a linguagem da vida com a ajuda da tecnologia computacional. Bioinformática abrange domínios fundamentais como bases de dados biológicas, alinhamento de sequências, previsão de genes e promotores, filogenética molecular, estrutural bioinformáticagenómica e proteómica.

As aplicações da bioinformática na investigação microbiana são múltiplas, oferecendo apoio crítico em domínios como a classificação de espécies de microrganismos, a função dos genes e as vias metabólicas, os padrões regulatórios da expressão génica e o desenvolvimento de fármacos e antibióticos. Com o contínuo avanço de bioinformática tecnologia, prevê-se que esta técnica mantenha o seu papel crucial no campo da investigação microbiana, catalisando assim a progressão e os avanços dentro da microbiologia como disciplina.

Bioinformática na Identificação Microbiana

O identificação a diversidade genética de um grande número de microrganismos é um projeto intensivo em dados, e a bioinformática pode melhorar significativamente a sua eficiência. Através de informações sobre sequências de proteínas, sequências de DNA e estruturas de proteínas, bioinformática a tecnologia pode fornecer aos investigadores um meio preciso e rápido para perfilar micróbios. Por exemplo, o sequenciamento de moléculas únicas fornecido por PacBio SMRT pode utilizar sinais fluorescentes para a sequenciação de microrganismos e realizar a sincronização da síntese e sequenciação. A aplicação de tecnologias de sequenciação, como a sequenciação de Sanger e a Sequenciação de Nova Geração (NGS), permite a aquisição de sequências genómicas microbianas. Aproveitando bioinformática ferramentas para alinhamento de sequências e identificação de espécies, podemos determinar a posição taxonómica dos microrganismos com precisão, contribuindo assim para a investigação das suas relações filogenéticas. Simultaneamente, ao contrastar e interrogar as diferenças entre vários genomas microbianos, podemos elucidar os mecanismos subjacentes à evolução microbiana e aos processos de adaptação ambiental.

O trabalho de Reller et al. é um exemplo primordial. Estes investigadores identificaram uma nova espécie na medicina clínica através de tecnologias de sequenciação, seguido por bioinformática análise. O procedimento não só melhorou a nossa capacidade de detectar patógenos emergentes, como também refinou as relações taxonómicas. Poderá ainda aprofundar a nossa compreensão dos mecanismos pelos quais os micróbios induzem doenças. Após a identificação de micróbios, quantidades crescentes de informação estão a ser carregadas em bases de dados relevantes como o NCBI, facilitando uma análise e investigação extensivas sobre a diversidade microbiana ambiental. Este desenvolvimento contínuo impulsiona o avanço da microbiómica.

Figura 1. Relato de espécies novas utilizando árvores filogenéticas. (Reller et al., 2007)

Figura 2. Gráfico de setores da diversidade microbiana. (Fykse et al., 2015)

Bioinformática na Análise de Rastreabilidade Microbiana

A relação filogenética dos microrganismos é relativamente complexa, por isso é desafiador realizar a análise de rastreamento. Por análise bioinformáticaos cientistas podem facilmente construir árvores evolutivas e descrever as relações evolutivas entre espécies e moléculas, satisfazendo várias necessidades na farmacêutica, diagnósticos, indústria alimentar, proteção ambiental, etc.

Bioinformática tem aplicações valiosas na rastreação de origens. Através do sequenciamento do genoma completo de um micróbio, pode-se obter uma informação genética microbiana mais abrangente, que é crucial para rastrear a fonte e a variação do micróbio. Ao analisar o genoma completo de uma comunidade microbiana, podem ser reveladas as inter-relações e funções entre vários micróbios, proporcionando uma compreensão mais profunda para o monitoramento e pesquisa de micróbios. Além disso, modelos matemáticos podem ser estabelecidos usando bioinformática métodos para prever as rotas de dispersão e os comportamentos ecológicos dos micróbios, oferecendo informações valiosas para o rastreamento e controlo dos micróbios.

As relações filogenéticas intrincadas dos micróbios são um desafio a desvendar. Uma aplicação chave de bioinformática Neste domínio, está a construção de árvores filogenéticas para representar as relações evolutivas entre espécies ou moléculas. Notavelmente, através da utilização de métodos de triagem de vírus a nível molecular em agosto de 2005, cientistas suecos descobriram um novo bocavírus humano (HBoV) nas secreções respiratórias de crianças e completaram o sequenciamento do genoma completo deste vírus. Em agosto de 2006, o primeiro caso de HBoV também foi detetado na China. Este vírus, que é difícil de diferenciar de outros vírus respiratórios, atraiu a atenção de numerosos especialistas e académicos. Por exemplo, Zhang e seus colegas utilizaram a análise filogenética para avaliar as comunidades microbianas no Daqu de sabor Fen da China e avaliar os fatores de impacto ambiental. Rastrear as origens dos micróbios no Daqu contribui para articular a influência dos micróbios externos no ambiente microbiano do Daqu, preservando assim a sua estabilidade.

Figura 3. Análise de rastreabilidade microbiana do NDaqu para determinar a taxa de contribuição de diferentes fontes. (Zhang et al., 2023)

A FDA estabeleceu a Rede de Sequenciamento Genómico Aberto dos Estados Unidos, composta por parceiros estaduais, federais, internacionais e comerciais. A rede GenomeTrakr representa o primeiro escudo de vigilância genómica distribuída para caracterizar e rastrear as origens de patógenos de surtos alimentares. A rede GenomeTrakr está a liderar investigações e ações regulatórias para surtos de doenças alimentares, facilitando a retirada mais precisa e rápida de alimentos contaminados e melhorando a monitorização das medidas de controlo preventivo em ambientes de produção alimentar. A rede expandida contribuirá para o estabelecimento de um sistema internacional de monitorização rápida para rastreamento de patógenos, crucial para apoiar respostas eficazes de saúde pública a surtos bacterianos.

Figura 4. Fluxo de dados para a base de dados e rede GenomeTrakr. (Allard et al., 2016)

Bioinformática na Detecção de Genes Patogénicos

Ao realizar uma análise de homologia em todo o genoma, os microrganismos patogénicos e os seus genes de virulência podem ser identificados de forma eficiente e abrangente. Por exemplo, através da criação de uma base de dados de código de barras genómico por sequenciação de alto débito e bioinformática A tecnologia permite a anotação de dados de sequências massivas de genomas microbianos, o que é de grande importância prática para a prevenção, diagnóstico e tratamento de doenças.

Atualmente, o campo da microbiologia está a mudar o seu foco de estudos de genes individuais para pesquisas que envolvem múltiplos genes ou até interacções inter-genómicas, com uma especificidade crescente. A homologia comparativa de sequências genómicas inteiras permite a identificação de antígenos específicos em vários níveis, como género, grupo, espécie, tipo ou subtipo de bactérias patogénicas. As ilhas de virulência, segmentos de ADN exógeno integrados no genoma bacteriano, são de particular interesse. Estes segmentos únicos são encontrados em estirpes bacterianas patogénicas que conferem toxicidade, mas estão ausentes em estirpes não patogénicas adjacentes.

Devido às características inerentes dos microrganismos, bioinformática tem-se mostrado fundamental na promoção da investigação sobre a composição das espécies, população celular e função ecológica de diferentes táxons microbianos em ambientes naturais. Também fornece orientação para empresas farmacêuticas e outras entidades na sua busca pelo desenvolvimento e exploração de recursos microbianos, bem como na isolamento e triagem de estirpes. Além disso, bioinformática fornece informações vitais sobre a composição, distribuição, quantidade e outros tipos de dados relacionados às populações microbianas sob diferentes condições ambientais.

Bioinformática no Desenvolvimento de Novas Vacinas

Bioinformática, desde a sua criação, tem desempenhado um papel integral nos avanços revolucionários da pesquisa microbiana. Um exemplo claro reflete-se no contexto do processo de desenvolvimento de vacinas para o Neisseria meningitidis Grupo B, a primeira instância em que a sequência genómica microbiana formou a base de uma nova vacina. Esta abordagem orientada para o genoma completo provou ser uma estratégia eficaz para o desenvolvimento de uma ampla gama de vacinas contra microorganismos patogénicos. À medida que o campo da genómica microbiana e bioinformática continua a evoluir, está a revolucionar o panorama da investigação de vacinas. No contexto contemporâneo da descoberta de novas vacinas, o papel da bioinformática abrange desde a identificação de alvos vacinais até à previsão da antigenicidade, passando pelo design e otimização das vacinas. A aplicação de bioinformática a tecnologia permite uma aceleração no processo de desenvolvimento de vacinas, melhorando os seus marcadores de segurança e eficácia. Isto forma uma ferramenta robusta para a prevenção e contenção de doenças infeciosas, anunciando uma época transformadora na investigação microbiana.

Da mesma forma, Ge e os seus colegas realizaram uma análise de quadro de leitura aberto (ORF) e previsão de proteínas extracelulares de Streptococcus sanguinis, uma das muitas bactérias envolvidas na formação de placa dentária. Embora geralmente inofensiva para os humanos, esta bactéria pode potencialmente causar endocardite infecciosa letal se entrar na corrente sanguínea. A sua bioinformáticaA análise orientada resultou em 43 antígenos proteicos candidatos que, após experimentos em modelos animais e purificação por cromatografia de afinidade, resultaram em 9 anticorpos distintos. Testes adicionais, incluindo ensaios de antisoro, ensaios de imunoabsorção enzimática competitiva e separação celular ativada por fluorescência (FACS), mostraram uma forte reatividade entre os anticorpos purificados e tanto as nove proteínas como S. sanguinis, indicando que estas proteínas estão expostas na superfície da bactéria. Os resultados da pesquisa sugerem que estas nove proteínas extracelulares poderiam servir como antígenos de referência para o desenvolvimento de novas vacinas.

Bioinformática na Produção de Medicamentos

Os microorganismos são diversos, assim como os seus metabolitos, o que oferece a base para o desenvolvimento e investigação de novos medicamentos. Por exemplo, no campo da investigação de antibióticos, bioinformática é amplamente utilizado para analisar sequências genéticas microbianas, desenvolver abordagens para a síntese microbiana e engenharia de enzimas.

A miríade de diversidade e capacidades metabólicas dos microrganismos que prosperam na natureza impulsiona o desenvolvimento de novas entidades microbianas. No domínio das ciências da vida, a adoção de agentes microbianos inovadores através de técnicas de biologia molecular pode oferecer um suporte robusto para a descoberta de fármacos. A biossíntese coordenada, envolvendo vias orquestradas por participação codificada, explora a intercambialidade entre genes de enzimas, resultando em híbridos de genes heterozigóticos na investigação de metabolitos secundários microbianos. Consequentemente, isso fomenta a produção de múltiplos compostos naturais. Muitos investigadores têm mergulhado em estudos genómicos utilizando antibióticos como a eritromicina para explorar a síntese de organismos compostos. Através de tais estudos, genes fundamentais implicados na patogénese foram desenterrados, delineando os seus papéis na síntese de substâncias, degradação metabólica e interações com os tecidos do hospedeiro. Engajando-se em bioinformática a pesquisa enriquece o repositório de recursos de informação, potencialmente revelando novos alvos para fármacos e contribuindo para estudos de antigenicidade.

Figura 5. Análise do resistoma da primeira bactéria resistente ao nanosilver utilizando ferramentas bioinformáticas para identificar e combater a resistência antimicrobiana. (Saeb et al., 2018)

De um modo geral, características de bioinformática inclui a pesquisa (coleta e triagem de dados), processamento (edição, organização, gestão e apresentação) e utilização (cálculo e simulação) de dados biológicos. Os investigadores podem usar ferramentas de bioinformática maduras (sites especializados, software), bem como métodos estatísticos e os relacionados para muitas áreas de estudo. Bioinformática pode abranger amplamente a necessidade de alinhamento de genes, deteção e interpretação de genes, comparação de estruturas, análise filogenética, previsão de estrutura de proteínas, entre outros, o que facilita enormemente a pesquisa em tecnologia microbiana.

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