Bioinformática como uma ferramenta didática para o ensino da Genética

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O ensino do conteúdo de genética geralmente é um desafio tanto para os professores da educação básica quanto do ensino superior, devido ao seu alto nível de complexidade e abstração. Esse trabalho tem por objetivo mostrar a importância da bioinformática como uma ferramenta didática para o ensino da genética. Como um exemplo, para ilustrar este tema, foi realizada a aplicação de um questionário para coletar as respostas de estudantes de licenciatura em ciências biológicas de uma universidade pública brasileira após uma aula expositiva com utilização de ferramenta de bioinformática. Ao analisar os resultados foi comprovado pouco conhecimento dos discentes acerca do assunto. Portanto, verificou-se que ao ser utilizada em aulas de filogenia e genética, a bioinformática proporciona melhor entendimento das mesmas, e quebra a barreira da abstração, oferecendo dados facilmente acessíveis numa ferramenta didática que facilita o processo de ensino-aprendizagem de genética / biologia.

Palavras- chaves: Bioinformática, ferramenta didática, ensino de genética, biologia.

ABSTRACT

Teaching genetics content is usually a challenge for both basic and higher education teachers, due to its high level of complexity and abstraction. This work aims to show the importance of bioinformatics as a didactic tool for teaching genetics. As an example, to illustrate this theme, a questionnaire was applied to collect responses from undergraduate students in biological sciences at a Brazilian public university after an expository class using a bioinformatics tool.When analyzing the results, it was proved that the students had little knowledge about the subject. Therefore, it was found that when used in phylogeny and genetics classes, bioinformatics provides a better understanding of them, and breaks the barrier of abstraction, offering easily accessible data in a didactic tool that facilitates the teaching-learning process of genetics / biology.

Keywords: Bioinformatics, didactic tool, genetics teaching, biology.

INTRODUÇÃO

O ensino de genética e biologia molecular, apresenta-se como um desafio para os professores de ciências e biologia, pois apresentam um nível de abstração e descontextualização da realidade dos alunos [1]. Em decorrência disso, é comum os professores relatarem dificuldades no ensino da genética, pois aulas práticas são geralmente inviáveis, devido ao planejamento das atividades práticas-experimentais e dos custos que envolvem a utilização de materiais adequados para sua execução [2].

O avanço das ciências e o aprimoramento técnico científico, possibilitaram a introdução das tecnologias em diversas áreas de conhecimento. Apesar da valorização de livros didáticos, atualmente a educação básica necessita da inserção de tecnologias digitais nas suas metodologias, para assim, fugir do método tradicional de ensino, e poder facilitar o processo de ensino-aprendizagem [3].

A bioinformática surge como um meio alternativo para sanar essa dificuldade que ocorre na área da Biologia e Genética, pois pode ser definida como uma área de saber interdisciplinar, que tem por objetivo desenvolver e investigar sistemas que ajudem na compreensão do fluxo de informações, desde os genes até as estruturas moleculares [4]. A Bioinformática utiliza bancos de dados para armazenar um catálogo geral de informações sobre a variação do material genético, para atender a projetos de sequenciamento em larga escala [5]. Estas informações podem ser encontradas, por exemplo, por meio de sites, como: Center for Biotechnology Information (NCBI), que é um portal de informações sobre biotecnologia e bioinformática “https://www.ncbi.nlm.nih.gov/, GenBank, que é um banco de dados de anotações de sequências de nucleotídeos e traduções de proteínas, disponíveis publicamente “https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/, PubMed, que é um portal de literatura científica na área biomédica e de ciências da vida “https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/, e LocusLink e RefSeq, recursos do NCBI, que facilitam a recuperação de informações baseadas em genes e fornecem padrões de sequência de referência “https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC102393/, entre outros. 

Estes dados podem ser utilizados para a execução de aulas experimentais em assuntos que envolvem genética, biologia celular e molecular e até mesmo filogenia. Porém, a maioria dos alunos e licenciados em ciências biológicas, desconhecem sobre as aplicações e o uso da bioinformática no curso. Por ela ser considerada uma ciência nova e ainda pouco difundida no meio acadêmico, mesmo frente a essencialidade da inovação de práticas para a utilização de novas tecnologias. Além disso, este assunto não foi abordado durante o processo de formação da maioria dos professores [6].

Ao ser utilizada como ferramenta didática, a bioinformática proporciona aos docentes uma forma de trabalhar e facilitar a compreensão de temas abstratos e conceituais, como o que se encontram na genética [7]. Neste sentido, este trabalho teve por objetivo mostrar a importância da bioinformática como uma ferramenta didática para o ensino de genética e filogenia. Além de analisar o conhecimento dos licenciandos em ciências biológicas, a respeito da bioinformática.

ASPECTOS METODOLÓGICOS DA ATIVIDADE DIDÁTICA

Para exemplificar tal fato, foi explorado o conhecimento de 13 licenciandos em Ciências Biológicas, do curso de licenciatura em Ciências Biológicas, da Universidade Federal de Campina Grande – UFCG, campus Patos, PB acerca de conceitos básicos relacionados à bioinformática como uma ferramenta didática para o ensino da biologia. Os alunos foram amostrados de turmas que já assistiram aula da disciplina Genética Molecular. Os dados foram coletados como parte das atividades do componente curricular Genética Molecular, ministrado pelo professor da disciplina, que informou aos alunos, que os dados seriam utilizados em pesquisa, que a participação deles seria voluntária e que suas informações seriam utilizadas de forma sigilosa e anônima. Foram amostrados alunos das turmas 2020.2, 2021.2 e 2022.2. O critério de exclusão da amostragem foram os(as) alunos(as) não terem respondido as perguntas e/ou não ter aceito participar da pesquisa, enquanto que os que aceitaram de forma livre, esclarecida e voluntária, foram incluídos na amostra .

Num primeiro momento, foi realizada uma aula expositiva sobre Bioinformática, na qual foi utilizado o site NCBI para transmitir informações aos entrevistados sobre o assunto. Este site apresenta um banco de dados de taxonomia, e é o repositório padrão de nomenclatura e classificação para o International Nucleotide Sequence Database Collaboration (INSDC), compreendendo os bancos de dados GenBank, ENA (EMBL) e DDBJ. Nele estão incluídos os nomes de organismos e linhagens taxonômicas para cada uma das sequências representadas nos bancos de dados de sequências de nucleotídeos e proteínas. 

Parte deste artigo foi desenvolvido durante a disciplina de Bioinformática, ministrada como disciplina optativa no curso de graduação de Licenciatura em Ciências Biológicas, na Universidade Federal de Campina Grande- UFCG, no Campus de Patos, PB.

Para exemplificar como elucidar a origem do vírus SARS-COV2 (Coronavírus) , sua evolução (mutações, adaptações, etc.), são utilizados métodos que permitem entender as relações de parentesco entre organismos a partir de características encontradas no material genético dos organismos analisados. Desta forma, ao final da análise, é possível obter uma árvore filogenética, que é uma representação esquemática das relações de parentesco entre os taxa (linhagens taxonômicas), a partir dos critérios previamente utilizados.

Para realizar a análise filogenética molecular é necessário realizar as seguintes operações:

1) Obtenção das sequências ou genoma completo do vírus

2) Alinhamento das sequências;

3) Escolha de um método de substituição de nucleotídeos ou aminoácidos adequado;

4) Escolha do método de reconstrução filogenética

5) Construção da Árvore filogenética

1) Obtenção das sequências

Para este projeto, bastante simplificado, foram utilizadas cinco amostras de genomas completos de vírus retiradas do GenBank, para entender as relações entre genomas dos vírus coletados de diferentes amostras.

Os identificadores dos vírus, depositados no GenBank, foram: MN908947 (novo coronavírus “SARS-COV2” em humano oriundo de Wuhan), MN996532 (coronavírus de morcego), KY417146 (vírus relacionado à SARS de morcego), MT084071 (vírus relacionado à SARS de pangolim) e  NC_038294.1 (vírus relacionado a MERS-COV, que infecta humanos, proveniente de camelo).

1.1) Procedimento:

a) Na página do NCBI ou GENBANK,  identifique a palavra Acession, localizada na aba lateral esquerda da página. Para acesso ao campo de busca, clique no sinal de +, localizado à direita no nome Acession.

b) coloque os nomes dos identificadores dos genomas da seguinte forma: “MN908947, MN996532, KY417146,  MT084071, NC_038294.1” e em seguida clique no botão azul com a palavra submit. (Figura 1).

Figura 1. Acesso aos genomas no NCBI virus. FONTE: NCBI, 2023.

A partir deste momento,  após clicar em submit, a página deve mudar e ficar com a aparência da figura 2, com apenas as cinco sequências selecionadas dispostas na tela.

Figura 2. Genomas selecionados no NCBI virus. FONTE: NCBI, 2023.

2) Alinhamento das sequências

Para alinhar as sequências, deve-se clicar no primeiro quadrado branco da tabela ao lado da palavra acession em preto e depois clicar no quadro branco com o nome align em azul, localizado no canto superior direito da página.

Será aberta uma nova aba no navegador e será realizado o alinhamento múltiplo das sequências. Cujo resultado deve ser igual ao da figura 3.