Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos?

16 | Mulheres no poder: quais os desafios na hora de liderar? A Revista Processando o Saber (eISSN: 2179-5150) é publicada pela x Praia Grande Multidisciplinar - Revisão por pares - Acesso aberto - www.fatecpg.edu.br/revista - [email protected] eISSN 2179-5150 FATEC Praia Grande • fatecpg.edu.br/revista submetido: Jan/2022 • aceito: Mar/2022 • publicado: Jun/2022 Uma imagem contendo Interface gráfica do usuário Descrição gerada automaticamente Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos? From mendel's peas to bioinformatics: what about ethical principles? Douglas Manoel Antonio de Abreu Pestana dos Santos Universidade de São Paulo [email protected] RESUMO Diante da fusão das ciências biológicas com a ciência da computação deu origem a bioinformática. Por se tratar de uma área que lida diretamente com a vida, onde os computadores exercem uma função central, as questões éticas se tornam ainda mais complexas. Nesse sentido, este estudo inicia traçando um paralelo entre a evolução da genética com a dos computadores e, em seguida, é proposto um ensaio, convidando a reflexão sobre como ações responsáveis por profissionais da área podem auxiliá-los a conduzir os seus trabalhos com bases éticas. PALAVRAS-CHAVE: Ética Aplicada. Bioinformática. Ética Computacional. Ética. ABSTRACT The fusion of biological sciences with computer science has given rise to bioinformatics. Since it is an area that deals directly with life, where computers play a central role, the ethical issues become even more complex. In this sense, this study begins by drawing a parallel between the evolution of genetics and that of computers, and then an essay is proposed, inviting reflection on how responsible actions by professionals in the field can help them conduct their work on ethical bases. KEY-WORDS: Applied Ethics. Bioinformatics. Computational Ethics. Ethics. 17 | Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos? Revista Processando o Saber - v.14 - p. 16-30 - 2022 INTRODUÇÃO A computação vem sendo utilizada como um meio para se conseguir progressos em diversas áreas do conhecimento, auxiliando, por exemplo, em cálculos complexos, armazenamento, busca e processamento de dados, dentre outras infinidades de possibilidades que possa requerer a necessidade humana para resolver alguma questão. Por outro lado, a introdução dos computadores trouxe à tona questões, até então, inéditas, tal como qual a maneira correta de utilizá-los, sem que haja abuso de nenhuma espécie. Então, para resolver situações concernentes ao bom uso que se deva fazer dos computadores, fatores éticos aplicado a essa área precisa ser considerada. Por exemplo, surgiu a bioética, que lida com questões éticas relacionadas às ciências biomédicas e da engenharia genética, como a manipulação de genes (CROCETTI, 2012). E, ética computacional, que fornece modelos conceituais para orientar profissionais de computação a exercerem a sua função com boa conduta, considerando o que o ser humano valoriza e o que não valoriza (MOOR, 1985). A bioética e a ética computacional são dois ramos do que pode ser chamado de ética aplicada, cujo objetivo é o de fornecer ao público julgamentos éticos sobre questões contemporâneas de relevância, fornecendo vocabulários, teorias e métodos argumentativos para lidar com problemas. Portanto, as questões éticas relacionadas à bioinformática se referem ao uso do computador para manipular dados genéticos (HONGLADAROM, 2006). Os dados genéticos são obtidos, por exemplo, com a sequência genômica, que é um código criptografado que contém a informação bruta para a formação de organismos vivos e de como eles funcionam. Já o estudo do conteúdo dessa informação genômicas é chamado de bioinformática (GRIFFITHS et al., 2016). Bioinformática, portanto, é uma ciência hibrida, porque engloba tanto a biologia como a computação, em que são utilizados sistemas computacionais para gerenciar e analisar dados biológicos. Os dados são analisados aplicando técnicas de estatísticas e de inteligência artificial (RAMAKRISHNAN; GEHRKE, 2011). Dessa maneira, a bioinformática engloba tanto o uso de hardware e software como a matemática (KLUG et al., 2010). Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo lançar luz sobre a questão ética aplicada a bioinformática, e, para isso, inicialmente é investigado pontos históricos em que ocorreram descobertas na área biológica e invenções no campo computacional. Como a bioinformática é uma ciência onde há a junção da biologia com a computação, a evolução de ambas as áreas, foram traçadas em paralelo. E então, constatado a estreita ligação 18 | Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos? Revista Processando o Saber - v.14 - p. 16-30 - 2022 entre essas ciências, é analisado e sugerido uma forma de como utilizar a bioinformática com responsabilidade. Este artigo está organizado da seguinte maneira: na seção seguinte é abordado alguns pontos relacionados a evolução da genética em paralelo com a evolução dos computadores; além disso, também são explicados conceitos que possam auxiliar o leitor para uma melhor compreensão. A Seção 1 contém uma análise de como a responsabilidade pode ser um fator vital a ser considerado para fazer um bom uso da bioinformática. Na Seção 2 são relatados uma breve análise, contendo postos-chaves de descobertas e invenções alcançadas nas áreas da genética e da computação, e, por último, as considerações finais são feitas. 1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA No monastério, localizado na cidade de Brüm, Áustria (atualmente Brno, na República Tcheca), o monge, Gregor Mendel, buscando entender como se ocorre a transmissão das características dos genitores para os seus descendentes, cultivou ervilhas em seu jardim, entre 1856 e 1863. Nesse tempo, Mendel conduziu experimentos de polinização cruzada entre variedades de ervilhas; um dos experimentos envolveu o cruzamento entre flores roxas e brancas, e, toda a primeira geração híbrida resultou em flores roxas. Dessas flores, Mendel fez a polinização direta, dando origem a segunda geração, em que, das 929 flores da progênie, 705 nasceram roxas e 224 brancas, portanto, analisando os resultados, observou que os genes desempenhavam uma função fundamental na transmissão de características. Mendel propôs ainda a ocorrência de duas variantes genéticas, chamados de alelos; um alelo condicionando ao roxo e o outro ao branco. No experimento, houve a predominância do alelo roxo, em que um gene codifica uma enzima produzindo o pigmento roxo nas células. Em suas investigações, Mendel constatou a lei de herança (GRIFFITHS et al., 2016). Ao longo dos anos de seus estudos, Mendel entendeu a importância da investigação estatística e da aplicação da matemática a um problema biológico, servindo de base para o seu trabalho mais importante, intitulado “Experiments in Plant Hybridization”, o qual foi lido nas reuniões da Natural History Society of Brünn, em 1865. E, no ano seguinte, foi impresso nos Proceedings of the Natural History Society (VILLANOVA UNIVERSITY, n.d.). Outras descobertas foram feitas na área da genética, como as proteínas serem molécula orgânica de grande massa formada por uma ou mais cadeias de aminoácidos, ou seja, são os produtos da expressão do gene, cujas moléculas desempenham a função de 19 | Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos? Revista Processando o Saber - v.14 - p. 16-30 - 2022 atribuir propriedades aos sistemas vivos. Portanto, a diversidade das proteínas e das funções biológicas que dá a enorme diversidade da vida, originam-se quando as proteínas se constituem com as combinações de 20 aminoácidos diferentes (KLUG et al., 2010). Antes do surgimento dos primeiros computadores, em 1937, o britânico Turing (1937), projetou um dispositivo teórico capaz de computar funções matemáticas. Então, no ano seguinte, o alemão Konrad Zuse, construiu o primeiro computador binário programável, o Z1. E, em 1945, o estadunidense Vannevar Bush, em um texto intitulado "As We May Think", influenciou, em alguma medida, o que viria ser futuramente a World Wide Web, porque ele propôs um dispositivo, chamado MEMEX (Memory Index), para armazenar livros, registros e comunicações, que poderiam ser consultados rapidamente (WAZLAWICK, 2016). No texto de Bush especulava-se sobre como a ciência e a tecnologia poderiam vir a modificar a forma de se pensar e organizar o conhecimento (CRUZ, 2011). No final da década de 1930 e durante a década seguinte, surgiram os primeiros computadores, por exemplo, em ordem cronológica: Bombe, ABC (Atanasoff-Berry Computer), Complex Number Computer (ou Modelo 1 de Stibitz), RDA2 (Rockfeller Differential Analyzer II), Colossus Mark I, IBM Automatic Sequence Controlled Calculator − também chamado de Harvard Mark I −, ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) (WAZLAWICK, 2016). Entre 1941 e 1944 foram conduzidos experimentos para identificar o papel desempenhado pelos genes dentro das células que possibilitava o controle de diferentes estados e características, por exemplo, como a cor de uma flor. Então, foi demonstrado que os genes codificam as enzimas, isto é, de que elas desempenham uma função metabólica dentro das células, uma vez que as enzimas realizam funções bioquímicas na célula. Já a evidência de que os genes são feitos no DNA (deoxyribonucleic acid), foi demonstrada ao extrair o DNA de uma cepa virulenta de bactérias, cujas informações genéticas poderiam transformar uma cepa não virulenta em uma cepa virulenta. Mas, surgiu a questão: Como a informação genética pode ser armazenada em uma molécula de DNA? A resposta veio em 1953, quando Watson e Crick (1953) determinaram que a estrutura molecular do DNA possuía a forma de dupla-hélice, isto é, dois filamentos de DNA entrelaçados em uma espiral. Desse modo, a sequência adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C), representa a informação que é codificada pela molécula de DNA, em que a adenina em um filamento sempre está pareada com a timina, e a guanina com a citosina. Nesse mesmo ano, Sanger e Thompson (1953), relataram, em duas publicações científicas, a primeira sequência de uma proteína, da insulina (GRIFFITHS et al., 2016). 20 | Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos? Revista Processando o Saber - v.14 - p. 16-30 - 2022 A informação genética deve apresentar quatro características: replicação, armazenamento de informações, expressão de informações e variação por mutação. Por meio da divisão da célula, ocorre a replicação do material genético; a molécula armazena informações genéticas que podem, ou não, se manifestarem na célula, a depender, por exemplo, de condições climáticas. É importante que o material genético codifique os produtos gênicos que são encontrados nas formas de vida, para que possam transmiti-la às células e aos organismos da prole; a expressão da informação, que compreende a transcrição do DNA, no qual três tipos principais de moléculas de RNA (ribonucleic acid) são sintetizadas: RNA mensageiro (mRNA), RNA transportador (tRNA) e RNA ribossômico (rRNA). Os mRNAs são traduzidos em proteínas, mediado pelos tRNAs e rRNAs, com cada um representando o produto de um gene específico, conduzindo à síntese de uma proteína. Na tradução, o mRNA orienta a construção de uma cadeia de aminoácidos, chamada polipeptídio, que, em seguida, se dobra em uma proteína. Ao final desse processo, forma-se o que ficou conhecido como o dogma central da genética molecular (CRICK, 1970), onde “o DNA produz o RNA, que produz as proteínas”; como o material genético é fonte de variabilidade entre os organismos, por meio de processos de mutação, ao ocorrer uma modificação na química do DNA, a alteração na transcrição e na tradução afeta a proteína (KLUG et al., 2010). Durante o desenvolvimento de uma célula, elas necessitam de um mecanismo para ligar ou desligar os genes para formar tipos de células e tecidos específicos e em ocasiões específicas (GRIFFITHS et al., 2016). Conceitualmente, isso foi relatado por Jacob e Monod (1961), quando demonstraram que os genes apresentam elementos regulatórios, gene ligado ou desligado, denominado de expressão da informação gênica. Ou seja, os elementos regulatórios são sequências de DNA que recebem a ligação de uma proteína desempenhando a função de ativador ou repressor da expressão do gene (GRIFFITHS et al., 2016). Em 1961, Crick et al. (1961), descobriram a unidade básica de uma proteína. Assim, foi possível deduzir como uma sequência de nucleotídeos no DNA, com cada um possuindo uma base, A, T, C ou G, codifica o conjunto de 20 aminoácidos para formar as proteínas. A partir de então, o código genético foi "desvendado", possibilitando a sua "leitura" (GRIFFITHS et al., 2016). Esse resultado foi publicado por Crick (1968), onde foram descritas as características gerais do código genético. Em 1965, houve o sequenciamento de nucleotídeos de um tRNA, do aminoácido chamado alanina (HOLLEY et al., 1965). Na área da computação, a década de 1950, marcou o início da computação comercial, acessível às empresas e demais organizações. Surgiram os primeiros sistemas operacionais, o 21 | Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos? Revista Processando o Saber - v.14 - p. 16-30 - 2022 disco magnético, as primeiras linguagens de programação e os transistores, pois, até então, os computadores operavam com válvulas (WAZLAWICK, 2016). Na década seguinte foi inventado o circuito integrado, que possibilitou a construção de todo um conjunto de transistores a partir de um bloco único, sem a necessidade de soldas e fios. Também surgiu a comutação de pacotes, que permitiu a transmissão de informação entre computadores por diversos caminhos diferentes, em que ocorria a divisão da mensagem em pacotes de informação, dando origem ao princípio da rede de computadores, projetada pela ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network). Outros exemplos de invenções dessa década incluem a tela sensível ao toque, a realidade virtual e aumentada, o notebook, os microprocessadores e a computação gráfica (WAZLAWICK, 2016). No início dessa década, Dayhoff e Ledley (1962), desenvolveram um sistema computacional com o objetivo de auxiliar na determinação da estrutura primária de proteínas. Posteriormente, foi criado um modelo molecular para ser visualizado por computador (LEVINTHAL, 1966). No início da década de 1970, Ramachandran e Lakshminarayanan (1971), desenvolveram uma técnica para o processo matemático de reconstrução de um objeto em três dimensões. Quatro anos mais tarde, foi desenvolvida uma simulação computacional para demonstrar o enovelamento de proteína, ou seja, podendo visualizá-la na forma tridimensional (LEVITT; WARSHEL, 1975). O avanço na capacidade de processamento dos computadores permitiu a criação de sistemas mais complexos. Por exemplo, Needleman e Wunsch (1970), desenvolveram um método adaptável por computador para encontrar semelhanças em duas sequências de proteínas. Para medir a similaridade de sequências, o algoritmo Needleman-Wunsch, por meio de programação dinâmica, encontra o alinhamento ótimo de pares de sequência, dividindo a sequência completa em segmentos menores. As semelhanças nas sequências recebem uma pontuação que são inseridas em uma matriz, e assim, o algoritmo detecta lacunas no alinhamento de sequências (LESK, n.d.). Anos depois, Murata, Richardson e Sussman (1985), estenderam o algoritmo Needleman-Wunsch, no sentido de possibilitar a comparação de três sequências biológicas, porém, o tempo de processamento para a sua execução tornou-o inviável. Então, dois anos mais tarde, Feng e Doolittle (1987), desenvolveram um outro algoritmo, também baseado no NeedlemanWunsch, que viabilizou a comparação de sequência de três proteínas. Em 1972, houve a primeira sequência do Bacteriófago MS2, um vírus biológico (JOU et al., 1972). Quatro anos mais tarde, o genoma completo do vírus MS2 foi sequenciado (FIERS et al., 1976). As técnicas de sequenciamento de DNA continuaram evoluindo, por 22 | Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos? Revista Processando o Saber - v.14 - p. 16-30 - 2022 exemplo, nas pesquisas relatadas por Sanger e Coulson (1975), Maxam e Gilbert (1977) e Sanger, Nicklen e Coulson (1977). Todos os esforços realizados nesse sentido viabilizaram métodos cada vez mais adequados para determinar a sequência de nucleotídeos das moléculas de DNA, tal como, a criação do programa computacional desenvolvido por Staden (1979). No início da década de 1970 foi criado o primeiro vírus de computador. Nessa década também foram introduzidos os computadores para uso pessoal e o modem, que é um equipamento que permite a comunicação entre computadores através de rede telefônica. A ARPANET iniciou testes de conexão com outros órgãos, por meio do TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) e surgiram os bancos de dados relacionais (WAZLAWICK, 2016). O surgimento dos bancos de dados permitiu o armazenamento dos dados biológicos, por exemplo, sequências de DNA, cujas estruturas são complexas, por conter inúmeros relacionamentos entre os elementos de dados e fragmentos de dados sobrepostos. No entanto, a aplicação da técnica computacional chamada de mineração de dados, que envolve análise estatística e inteligência artificial, possibilitou a análise dos dados (RAMAKRISHNAN; GEHRKE, 2011). A estatística também foi utilizada para se obter a sequência de DNA, aplicando a técnica chamada maximum likelihood (FELSENSTEIN, 1981). Em 1984, surgiram outros programas computacionais de manipulação genética, por exemplo, Malthiery et al. (1984) e Johnsen (1984). Outro programa foi desenvolvido por uma equipe da University of Wisconsin Genetics Computer Group, cujo conjunto de ferramentas computacionais recebeu o nome de GCG (DEVEREUX; HAEBERLI; SMITHIES, 1984). Em 1962, um grupo de cientistas se reuniram para discutir sobre a possibilidade de se criar um laboratório internacional de biologia molecular, dando origem, no ano seguinte, a EMBO (European Molecular Biology Organization), que, mais tarde, em 1974, se constitui como pessoa jurídica, originando o EMBL (European Molecular Biology Laboratory). E, em 1981, foi lançado o primeiro repositório de dados de sequência de nucleotídeos do mundo (EMBL, n.d.). No ano seguinte, o EMBL começa a trabalhar em cooperação com o GenBank (NCBI, n.d. a), pertencente ao NCBI (National Center for Biotechnology Information) (NCBI, n.d. b) e solicitam auxílio do banco de dados japonês, que mais tarde, em 1987, oficialmente é inaugurado, recebendo o nome de DDBJ (DNA Data Bank of Japan); porém, já colaboravam com o projeto desde o início da década de 1980 (DDBJ, n.d.). Em 2005, DDBJ, EMBL e NCBI, em comum acordo, aceitam chamar a mútua colaboração de INSDC (International Nucleotide Sequence Database Collaboration) (INSDC, n.d.). 23 | Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos? Revista Processando o Saber - v.14 - p. 16-30 - 2022 Em 1988, funcionários do EMBnet (European Molecular Biology Network) se uniram com colaboradores de outros locais para desenvolverem um pacote de extensão do programa GCG; o novo sistema recebeu o nome de EGCG, distribuindo-o de forma gratuita, porém, quando o GCG parou de liberar o código do seu programa, não foi possível mais distribuir o EGCC (RICE et al., 2009 a). Nesse contexto, surgiu, em 1996, o EMBOSS (European Molecular Biology Open Software Suite), cujo objetivo foi o de desenvolver ferramentas para análise de sequência molecular e fornecê-las de forma livre e gratuita (RICE et al., 2009 b). Em 1985, foi estabelecida a primeira revista focada na publicação de trabalhos relacionados a computação biológica, chamada CABIOS (Computer Applications in the Biosciences) (BEYNON, 1985). Atualmente, a revista é intitula Bioinformatics (OXFORD ACADEMIC, n.d.). Na área da tecnologia da informação, a década de 1980 foi marcado pela popularização dos computadores pessoais e pelo surgimento da Internet, cujo marco foi alcançado quando a ARPANET se ligou a outras redes ao redor do mundo, principalmente órgãos governamentais e universidades. Nessa década já havia estudos e desenvolvimentos teóricos relacionados à computação quântica, bem como a descrição de como projetá-lo (WAZLAWICK, 2016). Em 1995, pesquisadores do TIGR (The Institute for Genomic Research), Johns Hopkins University School of Medicine e State University of New York, foram os primeiros a conseguir a sequência completa do genoma de uma espécie de vida de uma bactéria, Haemophilus influenzae (FLEISCHMANN et al., 1995). O século XX terminou com o sequenciamento completo de um eucarionte, Saccharomyces cerevisiae (GOFFEAU et al., 1996); de um animal, Caenorhabditis elegans (C. ELEGANS SEQUENCING CONSORTIUM, 1998); e de uma planta, Arabidopsis thaliana (THE ARABIDOPSIS GENOME INITIATIVE, 2000). Na década de 1990, a World Wide Web se consolidou como o principal serviço da Internet e o padrão de rede sem fio, Wi-Fi, foi criado, inspirado no padrão de redes a cabo, Ethernet (WAZLAWICK, 2016). Em fevereiro de 2001, foram publicados os primeiros resultados do sequenciamento do genoma humano, em que, na revista Nature, incluíram análises de sequências iniciais geradas pelo Projeto Genoma Humano (LANDER et al., 2001), com patrocínio público; já na publicação da Science concentrou-se em relatar um rascunho da sequência (VENTER et al., 2001), obtida pela empresa privada Celera Genomics (LOPES, 2017). Em 2003, o Projeto Genoma Humano concluiu o sequenciamento de todos os genes de um ser humano (NATIONAL HUMAN GENOME RESEARCH INSTITUTE, 2018). 24 | Das ervilhas de mendel à bioinformática: e os princípios éticos? Revista Processando o Saber - v.14 - p. 16-30 - 2022 Em 2005, pesquisadores da Life Science Corp., da The Rockefeller University e do The Rothberg Institute, relataram um sistema de sequenciamento, cujo método, segundo os autores, superou os melhores sistemas, sendo, portanto, o melhor de sua época (MARGULIES et al., 2005). Nesse ano também foi fundado o Genomic Standards Consortium, uma comunidade aberta para o desenvolvimento, implementação e padronização no campo genômico (FIELD et al., 2014). Na primeira década do século XXI, os computadores estavam ligados em uma rede mundial, os dispositivos começaram a serem miniaturizados e, em 2007, foi apresentado o primeiro computador quântico (WAZLAWICK, 2016). Dentro desse contexto, após a explicação de alguns conceitos e de relatado acontecimentos históricos, uma definição mais completa de o que é bioinformática pode ser a dada por Araújo et al. (2008): a bioinformática engloba o uso de programas computacionais para tratar dados biológicos e identificar sequências de genes, predizer a configuração tridimensional das proteínas, identificar inibidores enzimáticos, promover o agrupamento de proteínas, estabelecer árvores filogenéticas (representação gráfica para demonstrar as relações evolutivas entre espécies) e analisar experimentos da expressão gênica. Nesse sentido, a bioinformática é responsável por ordenar e agrupar os resultados gerados pela análise de sequenciamento de genes, produzidos a partir das composições de DNA, RNA e proteínas. Portanto, devido a grande quantidade de dados biológicos, os biologistas moleculares passaram a utilizar métodos estatísticos capazes de analisá-los, e assim, deduzir funções de genes e a demonstrar relações entre genes e proteínas. 2. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para iniciar esse ensaio de como a responsabilidade é um fator fundamental para orientar as ações humanas, as palavras do pensador e humanista argentino, Carlos Bernardo González Pecotche (1901-1963), fundador da Ciência Logosófica, nortearão a análise: "A liberdade, que é fundamento essencial da vida, forma o vértice do triângulo cuja base repousa no dever e no direito. Perante este ternário que plasma a síntese da responsabilidade humana, será preciso erguer a consciência dos homens e fazer com que ela se manifeste em todo o seu esplendor e na sua potência máxima." (PECOTCHE, 2010, p. 199). A liberdade, apoiada, de um lado pelo dever, e do outro, pelo direito, conduz a reflexão de que para o indivíduo ter liberdade, é necessário ponderar entre o seu dever, como indivíduo,