Código genético do DNA é descrito matematicamente por brasileiros

Com informações do Jornal da Unicamp - 04/05/2011

A descoberta da estrutura matemática do DNA, além de referendar os fatos descritos pela biologia, é altamente promissora para o entendimento de anomalias observadas nos sistemas celulares e mesmo para possibilitar previsões de novas descobertas ainda não observadas em laboratório.[Imagem: Yikrazuul/Wikimedia]

Descrição matemática do DNA

Cientistas brasileiros descobriram que as sequências das moléculas de DNA podem ser reproduzidas através de estruturas matemáticas.

A descrição matemática da estrutura genética deverá ampliar consideravelmente a capacidade de compreensão do funcionamento dos sistemas biológicos - e, eventualmente, as possibilidades de sua manipulação.

Na física e na química, o uso de equações matemáticas para explicar, quantificar e prever a possibilidade de ocorrência de transformações naturais ou provocadas se tornou rotineiro.

Na biologia, porém, esse recurso é bem mais recente e ainda muito restrito. Vários pesquisadores das áreas de teoria e codificação da informação, principalmente nos EUA e da Europa, vinham tentando reproduzir as sequências de DNA através de estruturas matemáticas.

A primazia do feito, contudo, coube a um grupo de pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e da Universidade de São Paulo (USP).

Código de correção de erros

Os cientistas brasileiros estabeleceram uma relação matemática entre um código numérico e a sequência do DNA, o ácido desoxirribonucléico, portador dos genes dentro das células.

O código numérico é similar ao usado para correção de erros em programas de computador.

De forma geral, os códigos de correção de erros estão presentes na comunicação via satélite, nas comunicações internas de um computador e no armazenamento de dados - portanto, fazem parte do cotidiano de todos que usam a internet, celulares, TVs, CDs, pen-drives etc.

A utilização destes códigos tem como objetivo a correção de erros que ocorrem durante a transmissão ou o armazenamento da informação.

A associação dos códigos corretores de erros com sequências de DNA constitui objeto de pesquisa desde os anos 80.

O grupo brasileiro estabeleceu essa relação com diferentes sequências de DNA que constituem o genoma (exons, íntrons, DNA repetitivo, sequência de direcionamento, proteínas, hormônios, gene, etc) até chegarem na reprodução do genoma completo de um plasmídeo.

DNA mitocondrial

As mitocôndrias, organelas responsáveis pela respiração celular, apesar de conterem o seu próprio DNA e toda maquinaria necessária para fabricar proteínas, sintetizam somente um pequeno número dessas proteínas.

A grande maioria das proteínas mitocondriais é codificada por genes que ficam no núcleo das células, sintetizadas no citosol e posteriormente enviadas para as mitocôndrias.

Neste caso, a proteína é considerada como a informação que será enviada para a organela, existindo um código padrão para transmiti-la.

Durante o estudo, os pesquisadores brasileiros mostraram que o modelo que empregaram se ajusta a diferentes sequências de DNA.

Essa modelagem, além de referendar os fatos descritos pela biologia, mostra-se altamente promissora para o entendimento de anomalias observadas nos sistemas celulares e mesmo para possibilitar previsões de novas descobertas ainda não observadas em laboratório.

A modelagem matemática do código genético do DNA pode possibilitar a descoberta de curas de doenças de forma mais rápida do que é possível hoje. [Imagem: Bbkkk/Wikimedia]

Grupo interdisciplinar

A complexidade do assunto, e a interface com outras áreas do conhecimento, exigiu a formação de um grupo interdisciplinar para levar a pesquisa adiante.

A possibilidade de utilização de um código matemático que transcrevesse a sequência de DNA foi proposta pelo professor Reginaldo Palazzo Júnior, da Unicamp, a duas de suas alunas de doutorado: Andréa Santos Leite da Rocha e Luzinete Cristina Bonani de Faria, ambas graduadas em matemática pela PUC-Campinas.

Elas se propuseram inicialmente a estudar o transporte das proteínas mitocondriais.

O grupo interdisciplinar se consolidou com a colaboração do professor Márcio de Castro Silva Filho, geneticista especializado em transporte de proteínas, da Escola Superior de Agronomia Luiz de Queiroz (Esalq) da USP, e do engenheiro de computação João Henrique Kleinschmidt, professor da Universidade Federal do ABC, em Santo André.

Reginaldo Palazzo, ele próprio vindo da engenharia elétrica, é especialista na chamada teoria matemática da comunicação, área de estudo da transmissão de todo o tipo de informação e de seus códigos.

Código genético matemático

Iniciou-se então a abordagem para descrever uma estrutura matemática nas sequências de DNA.

A modelagem matemática que se mostrou adequada foi aplicada tanto em sequências de DNA de fungos, vírus, plantas, bactérias e humanos, quanto no gene "TRAV7" do Homo sapiens e no genoma do plasmídeo (DNA extra-cromossomais) da bactéria Lactococcus lactis, verificando que a maioria destas sequências foi geradas por um código matemático.

O feito dos pesquisadores brasileiros apresenta uma solução importante e inovadora para a biologia, permitindo que os fenômenos possam passar a ser analisados por métodos quantitativos.

Palazzo considera que essa nova fase exigirá maior diálogo entre biólogos, matemáticos e engenheiros eletrônicos e afirma estar plenamente convencido de que a teoria da informação constitui uma ferramenta adequada para o intercâmbio com a biologia molecular.

Ele reconhece que essa interdisciplinaridade ainda está distante, embora a seu ver o grupo tenha dado um grande passo inicial.

Resultados concretos

A linha de pesquisa orientada por Palazzo desenvolve programas computacionais para a geração, classificação e análise mutacional e de polimorfismos em sequências de DNA.

A pesquisa abre a possibilidade, a partir de um código e de uma solução matemática, de corrigir uma mutação ou um erro celular, de produzir proteínas desejadas e também de encontrar proteínas ainda desconhecidas existentes nas células.

Em decorrência, o método pode ser aplicado em projetos e pesquisas com a finalidade de criar novas funções para determinada sequência de DNA através de mutações segundo as necessidades comerciais e científicas, afirmam Andréa e Luzinete.

Essa modelagem matemática, afirma o professor Palazzo, que permite caracterizar um sistema biológico, pode possibilitar, através de um programa computacional, a realização de análises que levem a resultados concretos.

Hoje, a pesquisa na área da saúde é, em geral, demorada e dispendiosa. E, mesmo assim, não raro, depois de um longo tempo, não se conseguem resultados positivos.

Com a utilização de um software, a caracterização e a simulação do que se pretende pode ser realizada previamente no computador.

As previsões teóricas poderão ser testadas em laboratório de uma forma sistemática e eficaz, tornando os resultados muito mais confiáveis. A modelagem matemática pode possibilitar a cura de uma doença de forma mais rápida, segundo o pesquisador.

Biologia matemática

Para o professor, a teoria se mostrou válida para certos fatos concretos, mas admite que ainda há muito a ser feito.

Ele considera que a linha adotada está sendo delineada e lembra que alguns pesquisadores chegam a afirmar que não existe uma estrutura matemática que possa ser associada a sequências de DNA. "Nós estamos mostrando que existe", afirma o docente.

Ele insiste que o processo adotado efetivamente inova na modelagem em relação aos trabalhos propostos anteriormente e revela-se bastante coerente e consistente com o modelo biológico vigente.

Os pesquisadores consideram que, por tratar-se de uma proposta nova, que se insere numa área estratégica de pesquisa e de inovação tecnológica e, mais, que a detenção do conhecimento necessário se resume a poucos pesquisadores, é imprescindível que esforços sejam despendidos na formação de recursos humanos para o estabelecimento de uma massa crítica de especialistas na área.

Para isso, consideram fundamental o respaldo institucional quanto ao reconhecimento da relevância em prover uma infraestrutura de pesquisa bem como no estabelecimento de um programa de pós-graduação na área.