Imunoinformática e computação em nuvem: aliados na busca por novas vacinas.

Por Professor Dr. Vasco Ariston de Carvalho Azevedo;

Dr. Sandeep Tiwari;

Dr. Arun Kumar Jaiswal;

Mr. Lucas Gabriel Rodrigues Gomese

e Marcelo Ferreira Baptista, Arquiteto de soluções, AWS

A vacina é uma das maiores conquistas da medicina, salvando milhões de vidas todos os anos. Mas muitas doenças ainda carecem de uma vacina eficaz, como a sífilis, infecção sexualmente transmissível causada pela bactéria Treponema pallidum.

Pesquisadores da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), em parceria com o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e com o apoio da Amazon Web Services (AWS), estão utilizando técnicas de imunoinformática para desenvolver uma nova vacina multiepítopo contra o Treponema pallidum.

Desde 2019, a parceria entre CNPq e AWS disponibilizou US$ 400 mil em créditos em nuvem para 32 pesquisas científicas brasileiras. O projeto liderado pelo Prof. Vasco Azevedo, da UFMG, foi um dos selecionados.

A Metodologia

A imunoinformática combina immunologia computacional e bioinformática para projetar vacinas a partir da análise de sequências genômicas. É uma abordagem promissora da vacinologia reversa, que parte das informações sobre o patógeno para criar um imunizante eficaz.

Para processar os complexos dados genômicos, a imunoinformática demanda grande poder computacional e a infraestrutura On-premises é concorrida e nem sempre permite alcançar os resultados desejados no tempo necessário. A computação em nuvem da AWS fornece essa capacidade de processamento de maneira rápida e virtualmente sem limitações.

O grupo de pesquisadores utilizou instâncias Amazon EC2 do tipo p3.16xlarge, as quais fornecem computação de alto desempenho na nuvem com até 8 GPUs com NVIDIA® V100 Tensor Core e taxa de transferência de rede de até 100 Gbps para machine learning e aplicativos de HPC.

Com acesso facilitado aos recursos da AWS, a equipe pôde realizar as etapas da imunoinformática: seleção de dados, predição de epítopos, modelagem da estrutura proteica, análise de propriedades, docking molecular e simulações imunológicas.

Resultados Obtidos

O resultado foi a proposta de uma vacina multiepítopo contra o Treponema pallidum, publicada na revista Vaccines em junho de 2022. Os experimentos in silico preveem que esse candidato a vacina possa induzir resposta imune celular e humoral adequada contra a sífilis, com segurança para produção em escala e aplicação em humanos.

Link do artigo publicado — Journal — MDPI (Vaccines), https://www.mdpi.com/2076-393X/10/7/1019.

Título do trabalho publicado: In Silico Designed Multi-Epitope Immunogen “Tpme-VAC/LGCM-2022” May Induce Both Cellular and Humoral Immunity against Treponema pallidum Infection.
Data de publicação — 25 de junho de 2022.

A pesquisa demonstra o potencial da imunoinformática, viabilizada pelo acesso à computação em nuvem, para o desenvolvimento de novas vacinas. Usando a caixa de ferramentas da bioinformática na nuvem da AWS, os cientistas conseguiram progredir no combate a uma doença que afeta mais de 6 milhões de pessoas todos os anos.

Conclusão

O caso ilustra como a tecnologia da computação em nuvem permite avanços científicos antes inviáveis por limitações de hardware, escalabilidade e armazenamento de dados. A parceria entre CNPq e AWS tem sido fundamental para democratizar o acesso dos pesquisadores brasileiros à infraestrutura necessária para projetos complexos com uso intensivo de informática.

Este projeto pioneiro da UFMG comprova o valor da imunoinformática baseada em nuvem para acelerar a descoberta de vacinas. É um excelente exemplo de como computação de alto desempenho pode impulsionar a pesquisa científica no Brasil e no mundo, trazendo esperança no combate a doenças sem vacina ou cura disponível.

Sobre os autores

Líder e Supervisor do Projeto — Professor Dr. Vasco Ariston de Carvalho Azevedo O Professor Azevedo é professor titular visitante da Faculdade de Medicina Veterinária e Zootecnia da UFBA, professor titular aposentado e voluntário da UFMG, pesquisador 1A do CNPq, membro titular da Academia Brasileira de Ciências e membro correspondente da turma de Matemática e Ciências Naturais da Academia de Ciências e Humanidades de Göttingen. Comandante da Ordem do Mérito Científico do MCTI, do Comitê Consultivo de Genética e do Grupo de Trabalho de Políticas Públicas em Biotecnologia e Recursos Genéticos do COBRG/CNPq, coordenador do Laboratório Internacional Associado Bact-infl do INRA e da UFMG e foi vice- presidente da Associação Brasileira de Bioinformática e Biologia Computacional (AB3C) até dezembro de 2023.Possui graduação em Medicina Veterinária pela Faculdade de Medicina Veterinária da Universidade Federal da Bahia (1986), mestrado (1989) e doutorado ( 1993) em Genética de Microrganismos do Institut National Agronomique Paris Grignon. Pós-doutorado no Departamento de Microbiologia da Faculdade de Medicina da Universidade da Pensilvânia (EUA, 1994). Professor Titular do Instituto de Ciências Biomédicas da Universidade de São Paulo (2004) e Ph.D. Doutor em Bioinformática pela UFMG (2017). Tem experiência na área de Genética e Bioinformática, com ênfase em Genética Molecular e de Microrganismos, atuando principalmente nos seguintes temas: Genômica; transcriptômica; proteômica, metabolômica; Análise funcional de genes; Estudo de virulência e patogenicidade, Biotecnologia Molecular e Biossegurança. Ele trabalha no desenvolvimento de vacinas, diagnósticos e desenvolvimento de probióticos de próxima geração.

Co-Supervisão do Projeto — Dr. Sandeep Tiwari O Professor Tiwari é atualmente professor visitante na Universidade Federal da Bahia (UFBA), Salvador, BA, Brasil. Ele se formou (B.Sc; microbiologia industrial e química) pela Universidade Deen Dayal Upadhyaya Gorakhpur, Uttar Pradesh, Índia, em 2009. Em 2011, completou seu mestrado em Bioinformática na Universidade Devi Ahilya, Indore, MP, Índia. Doutor em Bioinformática pelo Programa Interunidades de Pós-Graduação em Bioinformática – ICB, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil em 2017. Pós-Doutorado pelo Programa Interunidades de Pós-Graduação em Bioinformática – ICB (2017-2022), Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil em 2017. Publicou mais de 95 artigos na Revista Internacional, 10 capítulos de livros e um livro. Ele é membro do Conselho Editorial Associado da Frontier in Genetics e frequentemente atua como revisor externo de PeerJ, PLOSone, Scientific Reports, periódicos Elsevier e Frontiers. Sua principal área de atuação: genética molecular, sequenciamento genômico e genômica comparativa de microrganismos, com foco em pan-genômica, evolução, plasticidade genômica na identificação de ilhas de patogenicidade e fatores de virulência para descoberta de medicamentos, filogenômica, epidemiologia molecular, vacinologia reversa e imunoinformática.

Co-Supervisão do Projeto — Dr. Arun Kumar Jaiswal Dr. JaiswaI é um pesquisador dinâmico e altamente motivado, com rica exposição na área de Bioinformática, Genômica, Proteômica, descoberta de medicamentos e doenças bacterianas. Concluí o bacharelado em Biotecnologia em 2011, o mestrado em Bioinformática em 2014 e o doutorado em Bioinformática em 2020 (defendi com êxito meu doutorado em 10 de fevereiro de 2020) pelo Laboratório de Genética Celular e Molecular do Instituto de Ciências Biológicas da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Brasil. Atualmente trabalha comom Pós-Doutorado Residencial no Laboratório de Genética Celular e Molecular (LGCM) do Instituto de Ciências Biológicas (ICB) da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil. Trabalhando na identificação de novos alvos de medicamentos para DSTs específicas de Treponema pallidum. Patogenômica do Treponema pallidum (Diagnóstico, Medicamentos e Candidatos a Vacinas). Estudar distúrbios cerebrais cognitivos, especialmente meningite sifilítica e outros distúrbios neurológicos causados por Treponema pallidum. Tenho boa experiência em ômicas (Pan-genômica, genômica subtrativa, vacinologia reversa), simulações de dinâmica molecular de complexos proteína-droga e dados de sequenciamento de próxima geração (anotação, montagem). Estudando Neuroinformática e Neurociência Computacional para entender melhor a “Sífilis Meningite” uma das complicações da Neurossífilis.

Mr. Lucas Gabriel Rodrigues Gomes é estudante de doutorado pelo Programa de Pós-Graduação em Bioinformática da Universidade Federal de Minas Gerais, com interesse em imunoinformática e vacinologia reversa. É bacharel em Ciências Biológicas pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e Mestre em Bioinformática pelo Programa de Pós-Graduação em Bioinformática — UFMG. Trabalha na identificação de fármacos, vacinas e métodos diagnósticos para Infecções Sexualmente Transmissíveis (ISTs), como a sífilis.

Marcelo Ferreira Baptista é Solutions Architect no time de AWS LATAM. Trabalha com soluções de TI há mais de 30 anos, com experiência em vários seguimentos de mercado e diferentes ambientes tecnológicos. Especialista em DevOps, Computing e HPC, hoje atua como Arquiteto de Soluções, apoiando os clientes nos seus desafios, buscando as melhores soluções para as suas necessidades.

Revisores

Iris Ferreira é arquiteta de soluções na AWS, apoiando clientes em suas jornadas de inovação e transformação digital na nuvem. Em seu tempo livre, gosta de velejar e estar sempre em contato com a natureza.

Matheus Oliveira é arquiteto de soluções na AWS, especializado em engajamentos de Inteligência Artificial e Machine Learning. Com formação em Engenharia da Computação auxilia clientes a experimentarem soluções práticas e escaláveis, buscando impacto positivo e transformação por meio de computação em nuvem.

Raquel Campos Ferreira estudante de Relações Internacionais. Atualmente trabalha na Amazon Web Services com foco no gerenciamento de projetos.

Rubem Paulo Torri Saldanha é formado em Ciência da Computação. Atualmente trabalha na AWS com foco em projetos logo prazo com governos e instituições de pesquisa