Quimio-informática. - Sociedade Portuguesa de Química

55
Quimio -informática.
Conteúdos que urge ensinar.
JOÃO AIRES DE SOUSA*
Resumo
Na gestão de informação, computação, comunicação e
conhecimentos de Informática. A existência de uma
edição, a Química usa hoje intensivamente e com uma
gama extensa de software para Química exige dos poten-
especificidade muito própria, as principais funcionalida-
ciais utilizadores conhecimentos específicos sobretudo
des dos computadores. O aproveitamento da cada vez
ao nível dos métodos envolvidos. Por tudo isto, sugere-se
mais abundante informação química requer o desenvolvi-
a incorporação de conteúdos de Quimio-informática no
mento constante de metodologias novas, que não pode
sistema de ensino universitário e são propostos temas a
ser feito sem uma forte formação em Química e sólidos
tratar nesse contexto.
Introdução
A rápida disseminação de suportes
electrónicos para arquivo de informação, o desenvolvimento da instrumentação laboratorial, nomeadamente no
sentido da automatização e da miniaturização e o aparecimento de novas técnicas como a química combinatorial e
Por outro lado, a Internet trouxe possibi-
zadas na maioria dos casos como caixas
lidades inovadoras de comunicação, de
negras que ora fazem milagres, ora pro-
colaboração à distância e de acesso a
duzem resultados sem sentido!
vastíssimas fontes de informação, o que
tem contribuído para a implementação
de estratégias de representação e manuseamento de informação específicas
da Química.
Discute-se que nome dar a esta área
nova, na fronteira entre a Química e a
Informática, que aplica e desenvolve
sistemas de informação, algoritmos, técnicas computacionais e métodos esta-
HTS (high-throughput screening) provo-
Simultaneamente tem-se observado um
tísticos para problemas de Química.
caram nos últimos anos uma verdadeira
extraordinário incremento do poder
"Cheminformatics", que aqui traduzo
explosão na produção de informação
computacional e uma notável sofistica-
por Quimio-informática, é a designação
química. Uma empresa farmacêutica
ção das técnicas de computação em
que vai sendo mais consensualmente
aceite. "Química Computacional" é uma
média que realize HIS pode produzir re-
Química. A modelação molecular tor-
sultados de dezenas de milhar de expe-
nou-se clássica, ganhou honras de pré-
expressão ainda usada como sinónimo,
riências por dia'. O Chemical Abstracts
mio Nobel 3 e a Química Teórica estabe-
embora seja normalmente conotada
adiciona actualmente cerca de 900 000
leceu-se como um reconhecido ramo da
com a utilização de software (como o
Química.
Gaussian 4 , MOPAC, DOCK 6 , Autodock 6
novos compostos por ano à sua base de
dados 2 . Isto requer tecnologias eficientes para arquivo e acesso a dados; o
Os frutos obtidos em todas estas frentes
,...) para modelação molecular.
problema mais sério que se põe é o de
estão acessíveis ao químico experimen-
Em todo o mundo industrializado, a in-
como, para uma dada aplicação, des-
tal comum através de software de fácil
dústria química e farmacêutica que faz
prezar o "ruído" e usar a informação útil.
utilização para os sistemas operativos
investigação e desenvolvimento, utiliza
Mais ainda, a utilização desta informa-
que lhe são familiares e através de in-
fortemente recursos de Quimio-informá-
ção permite estabelecer correlações,
terfaces WWW. São ferramentas que in-
tica, mas tem dificuldade em encontrar
aprender, extrair conhecimento, objecti-
vadiram gradualmente os laboratórios (e
especialistas na área. Os informáticos
vos que só são alcançáveis usando me-
os universos mentais) e que se estão a
raramente têm apetência para a Quími-
todologias computacionais e de inteli-
impor mesmo aos químicos avessos à
ca e os químicos sabem normalmente
gência artificial.
modernidade electrónica. Mas são utili-
muito pouco de Informática. Para suprir
*Investigador na área de Quimio- informática, na FCT /UNL e na Universidade de Erlangen- Nürnberg (Alemanha). Morada: Departamento de Química, CQFB, campus FCT-UNL, Quinta da Torre, 2829 Monte de Caparica, Portugal. Email: [email protected]
56 I QUÍMICA
estas necessidades, estão a implemen-
utilizam nesse processo métodos com-
ção vai rapidamente permeando os mé-
tar-se rapidamente cursos de mestrado
putacionais e técnicas intensivas basea-
todos de decisão, as técnicas laborato-
em Quimio-informática, sendo os pio-
das em informação. É essa a razão por
riais, os métodos de avaliação de resul-
neiros os da Universidade de Sheffield
que o fenómeno não aconteceu ainda
tados. Se numa primeira fase o
(Reino Unido)', UMIST (Universidade
em Portugal, onde aquelas indústrias
fenómeno se centrou na indústria de
de Manchester, Reino Unido) 8 e IUPUI
não têm tradicionalmente dimensão
inovação aplicada, ele vai estender-se
(Universidade de Indiana-Purdue,
para desenvolver produtos novos. No
ao ensino, á investigação fundamental,
E.U.A.) 9 . A nível de pré-graduação, in-
entanto, a tendência da indústria multi-
à optimização de processos e aos siste-
corporaram-se já disciplinas de Quimio-
nacional para recorrer ao outsourcing
mas de controlo de qualidade, áreas
informática em numerosas Universida-
também na investigação, e a abundante
que empregam a maioria dos químicos
des 10 .
mão-de-obra científica formada em Por-
em Portugal.
tugal na última década, permitem per-
E enquanto tudo isto acontece, que
Onde ir buscar profissionais com com-
guntar se não haverá oportunidade para
adaptações sofrem os conteúdos das li-
petências nesta área ? O problema pôs-
empresas de investigação portugue-
cenciaturas de Química nas Universida-
se há décadas, em pequena escala, nos
sas...
des Portuguesas ? Que formação é pro-
grupos académicos pioneiros da Qui-
porcionada aos alunos portugueses
mio-informática. Nessa primeira gera-
nestas tecnologias ?
ção recorreu-se normalmente a quími>.,.Q RI!
Não são tecnologias
cos que adquiriram
conhecimentos de informáti-
futuristas, nem distantes, nem inaces-
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e necessárias no campo da Quimio-informática nas instituições de
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cursos de mestrado em QuiMiument Coe
mio-informática e cadeiras
ensino superior em Portugal e, por
outro, um contributo para o planeamento dos cursos deste tipo que inevitavelmente vão ser criados.
A situação Portuguesa
A Quimio-informática e a Bio-informática têm sido consistentemente nos últimos anos áreas científicas com excesso
de procura de mão-de-obra face à oferta existente. A necessidade deste tipo
de especialistas tem origem nas indústrias química e farmacêutica que fazem
investigação de novos produtos e que
Reino Uni-do, estão a criar-se
3-21)
(
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a AO-
ções de ensino e, nos EUA e
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C,yH0N70 (Moo
nesta área a incluir nos curTradicionalmente tem-se exigido aos
químicos 'conhecimentos de informáti-
sos de graduação.
ca na óptica do utilizador' e, mesmo
Em Portugal, a criação de disciplinas de
esses, não lhes são normalmente forne-
Quimio-informática nas licenciaturas de
cidos pelas universidades que frequen-
Química parece, por tudo o que acima
tam. Conhecimentos e capacidades
se disse, urgente. Já a criação de mes-
muito mais vastos nesta área vão ser ne-
trados será provavelmente desajustada
cessários no futuro próximo à medida
no panorama presente. Para além do
que os métodos computacionais em
mais, o recrutamento para este campo,
Química se desenvolvem e estabele-
de licenciados em Química, será sem-
cem, que o volume de informação quí-
pre uma estratégia com poucos frutos.
mica disponível começa a ser reconhe-
Sempre serão raros os químicos que,
cido e que a instrumentação gera e
depois de uma licenciatura em Química
arquiva mais e mais dados. A computa-
de 4 ou 5 anos, decidirem entrar numa
QUÍMICA 1
área com tão forte componente de In-
b) Disciplinas de Química Computacio-
mentos HTML, que podem ser editados
formática. O mesmo problema acontece
nal ou de Modelação Molecular que
com editores próprios, e que podem in-
em Biologia, para encontrar cientistas
têm por vezes conteúdos sobreponí-
corporar, de forma interactiva, estrutu-
na área da Bio-informática.
veis aos de cadeiras de Química
ras químicas 2D ou 3D e espectros, por
Teórica. Incidem especialmente
exemplo utilizando o plug-in Chime' 2
Por outro lado, seria muito mais fácil
propor a finalistas do ensino secundário
uma licenciatura em Bio- e Quimio-informática cujos conteúdos principais seriam a Química, a Biologia e a Informática. A licenciatura daria formação
básica em Biologia e em Química, com
ênfase na instrumentação e nas aplica-
sobre 1) aplicações de cálculos
para browsers de WWW. Tem sido de-
quânticos e de campos de forças
senvolvida uma linguagem própria para
empíricos ao estudo de mecanismos
codificação de informação química
reaccionais e de interacções ligan-
(CML — Chemical Mark-up Language)
do-receptor; 2) dinâmica molecular;
tendo em vista sobretudo a Internet' 4. ' 5
3) generalidades sobre sistemas
Estruturas e propriedades moleculares
operativos e programação.
ções informáticas; e daria formação sis-
c) Disciplinas de Quimiometria que tra-
temática em Informática. Produziria li-
tam de aplicações de estatística e
cenciados com formação e motivação
redes neuronais à análise de dados
próprias para trabalhar em Bio-informá-
químicos. Aplicações de referência
tica e em Quimio-informática; mas for-
são a classificação de amostras a
neceria também profissionais para em-
partir de análises com múltiplas va-
pregos mais frequentemente oferecidos
riáveis e o estabelecimento de rela-
podem ser visualizadas em ambiente de
realidade virtual usando o formato
VRML 16 . Informação química pode ser
transmitida por email e reconhecida automaticamente pelo cliente de email de
modo a utilizar editores ou visualizadores adequados. Tal é possível pela utilização de MIME químico 17 .
nas áreas comerciais e de controlo de
ções entre estrutura molecular e
Arquivo de informação química. A es-
qualidade de empresas químicas e far-
função.
sência de uma estrutura molecular está
macêuticas, e mesmo para empregos
na área da informática. Outra alternativa
é a criação de um ramo de Bio- e Quimio-informática em licenciaturas de
Química ou Biologia. Mas será algum
destes caminhos possível, em tempo de
diminuição de número de alunos, num
sistema universitário cansado de licenciaturas com nomes novos e problemas
velhos ?...
Mais fácil será talvez introduzir cadeiras
d) Disciplinas de Documentação Científica que abordam, para além das
fontes tradicionais de informação
em papel, as fontes de informação
química na Internet e em suportes
digitais.
profissional nesta área. Embora com
nomes diversos, em várias universidades portuguesas têm sido incluídas matérias de informática e computação em
algumas disciplinas de Química, ainda
que de forma pouco abrangente (existindo ainda licenciaturas em Departa-
gações que estabelecem entre si e na
orientação espacial destas. Têm sido
propostas várias maneiras de codificar
esta informação e existem consequentemente vários formatos e tipos de ficheiros em que são arquivadas estruturas
e) Disciplinas de Química várias em
cujos programas os docentes incluí-
moleculares. Entre os mais comuns
estão os ficheiros .mo1 18 e .pdb 19 . Tam-
ram a utilização de software aplica-
bém a informação espectroscópica é re-
do às respectivas matérias.
presentada em formatos próprios que
usam frequentemente estratégias para
de Quimio-informática nas licenciaturas
de Química e criar cursos de formação
na identidade dos seus átomos, nas li-
Propostas de Conteúdos
reduzir o tamanho dos ficheiros necessários. Há uma tendência para que o
Sem entrar em pormenores quanto às
reestruturações necessárias nas disciplinas existentes, proponho de seguida
pistas de conteúdos que deveriam ser
ensinados sistematicamente em disciplinas de Quimio-informática.
formato JCAMP 20 se torne um padrão.
Volumes grandes de informação arquivam-se de preferência em bases de
dados. Existem vários sistemas para a
construção de bases de dados com informação química (como o ChemFin-
mentos nacionais de prestígio sem uma
Edição e visualização de informação
disciplina de Química Computacional).
química. Através de editores molecula-
Manager 23 ) que permitem arquivar
As aproximações já feitas são resumida-
res (por exemplo ChemDraw'', ISIS
estruturas químicas, reacções, proprie-
mente as seguintes:
Draw 12 ou applets Marvin' 3 em Java)
dades numéricas ou alfanuméricas, fór-
a) Disciplinas de Química Teórica que
tratam da teoria subjacente aos métodos de modelação molecular (química quântica, soluções aproximadas da equação de Schródinger,
modelo de Hückel, método de Har-
der 11 , ISIS Base 12 , CACTVS 22 , ACD Spec-
criam-se e editam-se ficheiros electróni-
mulas, espectros. Vários tipos de pes-
cos contendo estruturas químicas. Es-
quisas podem ser efectuadas, sendo
truturas 2D ou 3D de moléculas simples
específicas da Química as pesquisas de
ou de macromoléculas, assim como
sub-estruturas, de sub-espectros, de
cromatogramas ou espectros, são visua-
reacções ou de semelhança estrutural.
lizados através de programas próprios,
Através de bases de dados relacionais
de que existem muitos exemplos, gratui-
pode incorporar-se informação existente
tos ou comerciais.
em várias bases de dados,
grupos e por vezes também de tra-
Para apresentação de informação na
Computação química. Através de méto-
tamento de erros.
WWW usam-se principalmente docu-
dos estatísticos e de redes neuronais é
tree-Fock,...). Incluem conteúdos de
termodinâmica estatística, teoria de
57
58
QUÍMICA
possível estabelecer correlações entre
levantes destas bases de dados envolve
te a consulta rápida á "base de dados"
estrutura química e propriedade mole-
algoritmos e software para alinhamento
estabelecida pela ligação em rede dos
cular (QSPR) ou entre estrutura química
de sequências, cesquisa de semelhan-
conhecimentos dos químicos envolvi-
e actividade biológica (QSAR). Para tal,
ças, estimativa de árvores filogenéticas,
dos. Para além disso, os arquivos das
é frequente representar estruturas quí-
previsão estrutural e inferência funcio-
mensagens trocadas nestas comunida-
micas por números, mais concretamen-
nal.
te por um número fixo de parâmetros.
Tem-se desenvolvido uma grande variedade de descritores moleculares baseados principalmente em grafos moleculares, em propriedades físico-químicas,
ou em características geométricas.
des, quando existem e são pesquisá-
Fontes de informação química. O apa-
veis, constituem fontes de informação
recimento e omnipresença da Internet
valiosas.
veio revolucionar as fontes de informação a que os químicos têm acesso.
24,25,26
Para além de inúmeras fontes novas,
também as antigas (revistas, enciclopé-
Mas os canais mais consistentes para a
disseminação de informação química
de qualidade continuam a ser as publicações com sistema de refereeing.
A utilização de descritores moleculares,
dias, catálogos, índices) migraram ou
de impressões digitais moleculares e de
tendem a migrar (pelo menos em regi-
Estas têm posto na Internet muitas das
outros tipos de códigos permite analisar
me complementar) para a Internet.
suas funcionalidades 33 , incluindo a pos-
o grau de diversidade estrutural existen-
Estão disponíveis bases de dados es-
sibilidade de publicar material de forma
te num conjunto de compostos, o que é
pectroscópicas e estruturais, toxicológi-
interactiva, impossível no suporte de
frequentemente útil no design de biblio-
cas e de segurança, de reacções quími-
papel. A submissão de artigos tende a
tecas combinatoriais. Por outro lado
cas, de propriedades moleculares e
ser feita preferencialmente por email ou
permite estabelecer medidas de seme-
catálogos comerciais. Existem ferramen-
por transferência de ficheiros num web
lhança estrutural entre duas ou mais
tas comerciais de pesquisa bibliográfica
moléculas.
(como o Chemical Abstracts ou o Beils-
A aplicação mais clássica da computação química consiste no recurso à mecânica molecular ou à mecânica quântica para o cálculo de propriedades
termodinâmicas de compostos e reacções. Vários tipos de programas estão
disponíveis, com aproximações de vários níveis e têm tido muitas aplicações
no design de fármacos e de reacções.
Algoritmos muito utilizados são os algoritmos evolucionários, principalmente os
algoritmos genéticos. Simulam a evolução de uma população em que os indivíduos com características mais desejáveis sobrevivem e reproduzem-se,
fazendo sobressair, ao fim de várias gerações, as características que tornam os
indivíduos mais aptos. São utilizados
para problemas de optimização e têm
tein) mas tam bém sites gratuitos como o
da Ingenta 27 (herdeiro do BIDS e do Uncover) ou o Medline 28 , e serviços de
alerta. Outra fonte formidável de informação disponível gratuitamente na Internet e frequentemente esquecida nas
macional até à selecção de descritores
moleculares mais adequados ao estabelecimento de QSAR.
consultados na WWW pelos assinantes,
havendo várias soluções consoante os
editores. Normalmente o material suplementar dos artigos está disponível gratuitamente na WWW. É também frequente as revistas proporcionarem
Universidades são as bases de dados de
pesquisas nos abstracts ou nos títulos
patentes 29 . E as revistas científicas tradi-
dos seus artigos em arquivo, sendo
cionais estão presentes na Internet a par
estas pesquisas alargadas, em alguns
com outras revistas exclusivamente
casos, a todas as revistas de um mesmo
electrónicas.
editor (como no caso da ACS 34 ).
Comunicação em Química. As comunidades vi rt uais ce químicos na Internet
Conclusão
têm tomado formas variadas. Nas mai-
ling lists (ou listserv) a comunicação
A Quimio-informática é uma área emer-
funciona por email sendo cada mensa-
gente que utiliza métodos computacio-
gem distribuída por todos os membros
nais para problemas de Química. Tem
da lista 30 . Um exemplo é a ORGLIST 31 —
sido intensamente utilizada pela indús-
mailing list interiacional de Química Or-
tria química e farmacêutica na desco-
gânica, que te n sede em Po rt ugal. Nos
berta de novos produtos e tem trazido
-
tido aplicação desde a análise confor-
site e os artigos podem muitas vezes ser
bulletin boards os membros da comuni-
interpretações novas a questões científi-
dade podem ertrar num web site para
cas fundamentais. A presença destes
visualizar as mensagens publicadas e
criar as suas próprias mensagens. Os
conteúdos no ensino universitário da
Química em Portugal é escassa e a sua
Bases de dados com informação bio-
newsgroups são os mais antigos, têm
química. Estes tipos de bases de dados
um protocolo próprio e as mensagens
têm a especificidade de conterem prin-
são públicas. N3 ChemWeb 32 , os mem-
cipalmente estruturas 3D de macromo-
bros têm acesso a fora de discussão, a
léculas biológicas, sequências (de ami-
uma biblioteca, bases de dados, repor-
noácidos ou ácidos nucleicos) e vias
tagens sobre congressos, informação
b) que muitos destes métodos passa-
incorporação ao nível da graduação e
pós-graduação deve ter em consideração a) o panorama nacional e europeu
de emprego para químicos e cientistas;
metabólicas. É de especial relevo neste
sobre emprego, ou centro comercial.
ram já para o núcleo dos métodos bási-
contexto o projecto do genoma humano.
Idealmente a interacção com outros quí-
cos da Química. Neste artigo são lança-
A análise para extrair conhecimentos re-
micos numa comunidade virtual permi-
das pistas de reflexão sobre o assunto.
QUÍMICA 1
14 http://www.xml-cml.org/
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library/journals/index.html
13 http://www.chemaxon.com/
27 http://www.ingenta.com
34 http:/pubs.acs.org
32 http://www.chemweb.com
33 http://www.chemconnect.com/
kAPCER Certificado
de Conformidade iaMr
Ga,rKa<,vaepuranOti
NUMERO/, s,,
96/CEP.410
A Associação Po rtuguesa de Certificação (APCER)
Assovaton fer cemationtaca /
certifica que o sistema da qualidade da
SOQUÍMICA — SOCIEDADE DE REPRESENTAÇÕES DE
QUÍMICA, LDA.
Rua Coronel Santos Pedroso, 15
1500 - 207 LISBOA
PORTUGAL
SOQUIMICA
Sociedade de Representações de Quimica. Lda
Implementado na comercialização, manutenção e calibração de
equipamentos de laboratório, cumpre os requisitos da
R. Coronel Santos Pedroso 15 • 1500-207 Lisboa Tel 21 716 5160 • Fax 21 716 5169
NP EN ISO 9002:1995
R. 5 de Outubro 269 4100-175 Porto Tel 22 609 3069 • Fax 22 600 0834
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produção, instalação e assistência após-venda.
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O presente certificado é emitido no âmbito do Sistema Português da Qualidade.
Data de emissào/m,. .rinse
Luis Fonseca
Director Geral/agiam muita
1999-06-18
Vilido até /uaawa
2002-06-17
www.soquimica.pt
59