Biologia Computacional e Sistemas - IOC

Dona de múltiplas utilidades, a matemática também pode ser peça-chave para o avanço da pesquisa científica em diversas áreas, incluindo a biologia e a medicina. Pesquisadores da Fundação Oswaldo Cruz (Fiocruz) e da Fundação Getúlio Vargas (FGV) apresentaram métodos de modelagem computacional, teoria de redes e modelos hierárquicos bayesianos no seminário ‘Matemática e biociências e a sua importância na pesquisa’. O encontro promovido pelo Instituto Oswaldo Cruz (IOC/Fiocruz), por meio do Programa de Pós-graduação em Biologia Computacional e Sistemas, no dia 04 de dezembro, destacou exemplos da aplicação de métodos matemáticos a questões ligadas à saúde pública e às doenças infecciosas, incluindo febre amarela, dengue e malária. A iniciativa contou com o apoio do Programa de Computação Científica da Fiocruz (PROCC) e da FGV.

“Cada vez mais se faz necessária a interação entre a matemática e as biociências dado o potencial descritivo e quantitativo que a matemática pode resultar no traço dos processos biológicos que são inerentemente complexos”, destacou o coordenador adjunto da Pós em Biologia Computacional e Sistemas e pesquisador do PROCC, Ernesto Raúl Caffarena, um dos coordenadores do evento. “A pesquisa em biologia já avançou muito, principalmente em relação à adoção de métodos quantitativos e de uma matematização bastante sofisticada, mas é preciso atentar à formação básica dos biólogos. Esse encontro representa o início do caminho em direção à renovação da forma como pensamos as questões biológicas”, complementou o professor da Escola de Matemática Aplicada da FGV, Flávio Codeço, que também integrou a equipe organizadora. “Em nossas pesquisas, nos deparamos diariamente com a necessidade de uma análise mais refinada de dados e um estudo quantitativo mais aprofundado. Esse evento vem de encontro a essa realidade, uma vez que aproxima instituições, une cabeças, promove interação e gera troca de experiências”, comentou o vice-diretor de Ensino, Informação e Comunicação do IOC, Marcelo Alves Pinto.

Múltiplas abordagens
A modelagem matemática é uma ferramenta útil no estudo da propagação de doenças transmissíveis. Segundo o pesquisador Marcelo Gomes, do PROCC, modelos compartimentais permitem agrupar a população em grupos com características determinadas, como indivíduos suscetíveis, infectantes e recuperados, por exemplo. Com uma estruturação matemática flexível, os pesquisadores conseguem traçar, a partir da metodologia, estimativas sobre a dispersão de doenças como gripe, dengue e ebola.

A resistência de bactérias aos antimicrobianos é um dos principais desafios no enfrentamento de infecções provocadas por esses microrganismos. A modelagem computacional tem sido aplicada como ferramenta para ampliar o conhecimento acerca do comportamento de espécies multirresistentes. O pesquisador Fabrício Barbosa, também do PROCC, apresentou dados de um projeto que tem por objetivo principal determinar novas formas eficazes de combate à bactéria Pseudomonas aeruginosa, um dos mais prevalentes agentes de infecções hospitalares em todo o mundo. As abordagens computacionais têm otimizado o conhecimento da espécie por meio de métodos que incluem a automatização do processo de identificação de genes, a análise de lacunas das redes biológicas por meio de desafios e a reconstrução das redes metabólicas da bactéria. A equipe multidisciplinar conta com profissionais da Fiocruz, Universidade Federal Fluminense (UFF), Universidade do Estado do Rio de Janeiro (Uerj), Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (Cefet/RJ), Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC) e Universidade Leiden, da Holanda.

A modelagem baseada em dados também pode ser utilizada para antecipar a emergência de surtos de febre amarela, como mostra um estudo apresentado pelo pesquisador Eduardo Krempser, que atua junto à Presidência da Fiocruz. Entre 2017 e 2018, foi registrado um dos eventos mais expressivos da história da doença no Brasil. A dispersão do vírus alcançou a região de bioma Mata Atlântica na costa leste brasileira, que abriga ampla diversidade de primatas não-humanos (PNH) e de potenciais vetores silvestres e onde o vírus não era registrado há décadas. De acordo com o Ministério da Saúde, no período de monitoramento de julho de 2017 a junho de 2018, foram confirmados 1.376 casos humanos e 483 óbitos, além de 864 epizootias confirmadas em PNH. Ainda em desenvolvimento, o projeto busca caracterizar locais com o maior risco de surtos da doença, visando classificar áreas prioritárias para ações do Ministério da Saúde, como a intensificação de campanhas de vacinação, por exemplo.

O pesquisador Daniel Villela, do PROCC, abordou aspectos da análise de número reprodutivo de doenças transmitidas por mosquitos, como as arboviroses e a malária. Segundo Villela, o número de reprodução básico de uma doença pode indicar o número de casos secundários esperados a partir de um caso inicial. “Uma análise bastante simples seria verificar se o número é alto de forma a indicar o risco de ocorrência de surtos. Um componente importante para esta análise é a presença do vetor e, mais do que isso, a densidade populacional do inseto transmissor que pode variar de forma sazonal e até mesmo espacial devido a condições ambientais”, explicou.

Também pesquisador do PROCC, Leonardo Bastos apresentou estudos que utilizam modelos hierárquicos bayesianos em problemas de saúde pública. “São modelos estatísticos escritos em dois ou mais níveis nos quais a inferência a respeito dos parâmetros do modelo é feita através da distribuição a posteriori. Um exemplo clássico de um problema em múltiplos níveis é avaliar a performance individual de um estudante, pois sua nota é afetada não apenas por sua dedicação, mas também pelo efeito da turma e, em um nível mais alto, da escola”, explicou. De acordo com Bastos, esse tipo de modelagem pode ser aplicado a um amplo espectro de estudos: da análise de dados de sequenciamento genético ao estudo de sistemas de alerta de epidemias, por exemplo. No encontro, o pesquisador apresentou três projetos distintos que utilizaram técnicas estatísticas similares: a análise de armadilhas para anofelinos, a avaliação de fatores de risco de Hepatite C em usuários de crack e o estudo ecológico para avaliar a associação entre grandes epidemias de dengue anteriores e casos de Síndrome Congênita do Zika.

A investigação da competência vetorial é parte importante para esclarecer a dinâmica de transmissão de vírus e estimar o risco de propagação de doenças, como no caso da malária. De acordo com o professor da Escola de Matemática Aplicada da FGV, Claudio Struchiner, a competência vetorial pode variar de acordo com diferenças na fisiologia, biologia molecular e comportamento do mosquito vetor, alterações ambientais e climáticas, além de diferenças na fisiologia de hospedeiros e parasitos. Struchiner apresentou metodologias que permitiram avaliar, a partir de uma perspectiva evolutiva, a capacidade vetorial de mosquitos Anopheles, transmissores da malária. No estudo, foram sequenciados os genomas de 16 espécies de anofelinos. As análises comparativas mostraram taxas mais rápidas de ganho e perda de genes, rearranjo genético elevado no cromossomo X, entre outras características que podem contribuir para a capacidade flexível do inseto de tirar vantagem de novos nichos ecológicos, incluindo a adaptação aos humanos como hospedeiros primários. 

Próximos passos
Coordenador da iniciativa, Ernesto Caffarena ressaltou a necessidade de uma nova edição do evento para apresentação de outras linhas de pesquisa. “As apresentações evidenciaram como a matemática pode vir a resolver e a explicar os mais diversos processos que ocorrem no âmbito da biologia. A grande participação por parte dos alunos, docentes e coordenadores dos Programas de Pós-graduação demonstra o interesse crescente da comunidade científica da Fiocruz em relação a temas relacionados à utilização da matemática em biociências”, avaliou. “A ideia é aproximar cada vez mais o IOC, o PROCC e a Escola de Matemática Aplicada da FGV, estimulando a troca de conhecimento, o intercâmbio de alunos e o estabelecimento de novas parcerias”, complementou o diretor do IOC, José Paulo Gagliardi Leite.