Klon: Uma Ontologia para o Domínio da Clonagem

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1 Klon: Uma Ontologia para o Domínio da Clonagem Lídia F. N. de Melo¹, Armanda M. C. de Amorim Oliveira¹, Eric Rommel G. Dantas¹, Ryan R. de Azevedo¹, Hugo Vieira L. de Souza 1, 2, Mauricio de O. D. Fernandes 3 1 Centro de Informática Universidade Federal de Pernambuco (CIn-UFPE) Caixa Postal 7851 Recife PE Brasil 2 Faculdade Escritor Osman da Costa Lins (FACOL) CEP: Vitória de Santo Antão PE Brasil 3 Faculdade Integrada do Recife (FIR) CEP Recife PE Brasil {lfnmr,amcao, hvls, ergd, rra2}@cin.ufpe.br, {mauriciodiasf}@gmail.com Abstract. Knowing that problems caused by degenerative diseases strike millions of people around the world, studies and research has been developed to make cloning a solution to soften these diseases, or even, provide a cure for them. Facing that, this paper proposes Klon, an ontology capable of specifying, formalize and store knowledge in a clear way, pertaining the domain of cloning, able to put together innumerable concepts, classes, restrictions and properties. Klon was developed using the methontolgy, having as a goal to provide an efficient storage of information and knowledge for the stated domain, being able to offer a reuse of ideas trough the creation and development of ontologies and applications. Resumo. Sabendo que problemas causados por doenças degenerativas atingem milhares de pessoas ao redor do mundo, estudos e pesquisas vêm sendo desenvolvidos para tornar a clonagem uma solução para amenizar estas doenças, ou até mesmo, proporcionar a cura para as mesmas. Diante disto, este artigo propõe a Klon, uma ontologia capaz de especificar, formalizar e armazenar conhecimentos de forma clara, acerca do domínio da clonagem, capaz de reunir inúmeros conceitos, classes, restrições e propriedades. A Klon foi desenvolvida utilizando a methontology, tendo como objetivo proporcionar um armazenamento eficaz das informações e conhecimentos do domínio exposto, podendo oferecer um reuso de ideias através da criação e desenvolvimento de ontologias de aplicações. 1. Introdução A evolução das pesquisas científicas na área da Engenharia Genética obteve destaque nos últimos anos, tendo fascinado diversos grupos de cientistas ao longo do século, especialmente no que diz respeito à tecnologia de transferência nuclear existente no processo de clonagem. Para tal evolução, é necessário observar que o desenvolvimento

2 destas pesquisas visa melhorar a qualidade de vida da humanidade, que ainda sofre com a existência de doenças degenerativas e outros males. A clonagem faz parte da natureza desde o princípio e, ao longo do tempo, ganhou espaço e desencadeou o início de inúmeras discussões e polêmicas. É evidente a transição da antiga ficção científica para a atual realidade do grupo de cientistas que buscam cada vez mais o sucesso e o progresso de suas pesquisas, procurando solucionar problemas existenciais e proporcionando o surgimento de benefícios terapêuticos. Devido à complexidade dos estudos relacionados à clonagem, é necessário haver um armazenamento dos processos existentes, a fim de proporcionar o reuso dos conhecimentos adquiridos, ocasionando ganhos significativos com relação a tempo e esforço. A Web, por sua vez, corresponde a uma ampla fonte de disseminação de informações, oferecendo meios de comunicação e interação. A falta de organização destes conteúdos afeta diretamente os mecanismos de busca que, por serem altamente sensíveis ao vocabulário, não conseguem filtrar a informação relacionada à necessidade do usuário, retornando inúmeras páginas indesejadas, priorizando a quantidade de retornos e não a qualidade dos mesmos. Portanto, em contraposto à Web atual, denominada de Web sintática, a Inteligência Artificial (IA) disponibiliza a Web Semântica e suas particularidades, uma vez que possui uma significativa contribuição ao categorizar as informações a serem processadas, melhorando a potencialidade das buscas e permitindo a criação e a utilização de suas ferramentas [RAMALHO, 2006]. Tendo em vista os benefícios proporcionados pela utilização da Web semântica, é necessário saber que a mesma é dividida em camadas, considerando-se a camada de ontologias como a principal, pois nesta camada é armazenada toda a inteligência. Diante disto, a criação de ontologias torna-se uma tarefa cada vez mais constante por tratar-se de um artefato computacional composto de vocabulário de conceitos e suas definições, relações, propriedades e axiomas referentes ao domínio exposto [FREITAS e SCHULZ, 2009]. Considerando as informações descritas acima, pode-se destacar a junção entre as áreas da Engenharia Genética e a Inteligência Artificial, precisamente no estudo da Clonagem e na utilização das ontologias. Devido a isto, tem-se como exemplo a complexidade do conhecimento médico e biológico, onde se torna difícil a confecção de sistemas tradicionais, pois para assistir tarefas médicas, os sistemas precisam de muito conhecimento e capacidade de inferência, sendo esta talvez, a principal razão de aplicabilidade e consequente sucesso do uso de ontologias nessa área [FREITAS et. al., 2009]. Sendo assim, foi desenvolvida a Klon, uma ontologia de domínio, capaz de especificar, formalizar e armazenar conhecimentos de forma clara, acerca do processo da clonagem, reunindo inúmeros conceitos, classes, restrições e propriedades. A Klon proporcionará a obtenção de conhecimentos, de forma eficaz, dos processos existentes na clonagem, pois através de sua base de informações, enfatizará os tipos de clonagem, identificando suas principais características e relações, além de informar as principais motivações e benefícios de sua prática, auxiliando pesquisas e estudos científicos no âmbito da biologia. As seções deste artigo estão estruturadas da seguinte forma: a Seção 2 e 3, respectivamente, referem-se ao embasamento teórico do trabalho, apresentando Clonagem e Ontologias. A seção 4 apresenta a real proposta deste trabalho, seguindo a

3 seção 5 onde são apontandos os Cenários de utilização e Benefícios do Uso da Klon. Por fim, na Seção 3 apresentam-se as considerações finais e trabalhos futuros. 2. Clonagem A palavra clone, do grego Klon, significa broto e foi cunhada em 1903 pelo botânico H. J. Webber [Pena 1999]. Clonagem é um mecanismo comum de propagação da espécie em plantas ou bactérias [ZATZ, 2004]. De acordo com [ALHO, 2004], a clonagem é um processo de reprodução assexuada (sem auxílio ou intervenção de células sexuais) em que através de um único indivíduo ancestral, originam-se organismos clones (indivíduos geneticamente idênticos ao indivíduo ancestral). A clonagem pode ser classificada em: clonagem natural e clonagem artificial. Abaixo, será descrito cada tipo de clonagem. A clonagem natural ocorre de forma natural e espontânea, mais precisamente em seres unicelulares (seres constituídos por uma única célula), bactérias ou até mesmo em mamíferos, como é o caso de gêmeos univitelinos, denominados assim por serem gerados dentro de um mesmo óvulo e possuírem o genoma (conjunto genético) idêntico [ALHO, 2004]. Embora o processo da clonagem natural ocorra através de uma reprodução sexuada do ovo (onde há a necessidade da união da célula sexual feminina conhecida como óvulo e da célula sexual masculina conhecida como espermatozóide), os indivíduos gerados carregarão o mesmo patrimônio genético, tendo em vista que o processo originado na divisão celular foi feito de forma assexuada. Este tipo de clonagem não possui impacto na sociedade humana pelo fato de ocorrer na natureza, durante toda a existência, produzindo desde bactérias até seres humanos (gêmeos univitelinos) [ALHO, 2004]. A clonagem artificial é bem mais complexa e pode ser definida como uma técnica de manipulação genética iniciada a partir da junção de um núcleo de uma célula somática (células responsáveis pela formação de estruturas do corpo como tecidos e órgãos) de um indivíduo doador com o óvulo anucleado (sem núcleo) de um indivíduo hospedeiro [ZATZ, 2004]. De acordo com [VARELLA, 2004], a clonagem artificial pode ser dividida em reprodutiva e terapêutica. Apesar da técnica de manipulação genética empregada no processo da clonagem artificial ser exatamente idêntica nos dois tipos de clonagem artificial, a reprodutiva tem o intuito de dar origem a um indivíduo de patrimônio geneticamente idêntico ao indivíduo clonado, enquanto que a terapêutica é utilizada para fins terapêuticos, ou seja, trata-se do cultivo de células-tronco, definidas por Varella (2004) como sendo células primitivas produzidas durante o desenvolvimento do organismo e dando origem a outros tipos de células em laboratório com o intuito de fabricar tecidos idênticos ao do indivíduo que as está doando. O objetivo desse cultivo é a reposição de tecidos perdidos por acidentes ou a obtenção da cura para doenças degenerativas [VARELLA, 2004]. Embora o processo de clonagem seja considerado um marco para o desenvolvimento das pesquisas científicas na área da engenharia genética, inúmeras discussões são propostas nos campos morais, éticos, jurídicos e, principalmente, religiosos, visto que há uma série de conflitos explícitos entre Ciência e Religião. Mesmo diante desses obstáculos, é necessário que as pesquisas científicas nesse campo estejam em constante evolução, proporcionando padronização, compartilhamento e reuso de conhecimento de todo o processo utilizado pela clonagem.

4 3. Ontologia Desde o século XVII, o termo ontologia tem sido utilizado para denominar a disciplina de metafísica geral, dentro da tradição da primeira Filosofia de Aristóteles, como sendo a ciência do ser no papel de ser (ou a ciência das causas, pois inquire a origem do conhecimento de tudo aquilo que se supõe existir). É, muitas vezes, encarada como um complemento à idéia de Epistemologia (ciência do conhecimento) [Freitas et al 2009]. Diversas definições têm surgido a fim de descrever o que é uma ontologia dentro do ramo de informática. A mais conhecida é uma especificação formal e explícita de uma conceitualização compartilhada [GRUBER, 1995], onde: Formal: implica em ser declarativamente definida, portanto, compreensível para agentes e sistemas; Explícita: significa que os elementos e suas restrições estão claramente definidos; Conceitualização: trata de um modelo abstrato de uma área de conhecimento ou de um universo limitado de discurso; Compartilhada: indica um conhecimento consensual, seja uma terminologia comum da área modelada, ou acordada entre os desenvolvedores dos agentes que se comunicam. Sendo assim, ontologias, em um nível de abstração mais alto, estabelecem uma terminologia comum e não-ambígua para o domínio em questão. Para Guarino (1998), as ontologias são artefatos computacionais compostos de um vocabulário de conceitos, suas definições e suas possíveis propriedades, um modelo gráfico mostrando todas as possíveis relações entre os conceitos e um conjunto de axiomas formais que restringem a interpretação dos conceitos e relações, representando de maneira clara e não ambígua o conhecimento do domínio. Inúmeras vantagens têm sido apresentadas na literatura para a adoção de ontologias. Dentre elas, ressaltam-se as seguintes [FREITAS, 2003]: Oportunidade aos desenvolvedores reusarem conhecimento, mesmo com adaptações e extensões. Isso se explica pelo fato de que a construção de bases de conhecimento é uma das tarefas mais caras, complexas e demoradas de um sistema especialista e/ou agentes. Portanto, reusar ontologias promove um ganho significativo em termos de esforços e de investimentos; A grande disponibilidade de ontologias de prateleira, prontas para uso, reuso e comunicação entre agentes, podendo estas serem estendidas e complementadas com conceitos de domínios específicos; O acesso on-line a servidores de ontologias, capazes de armazenar milhares de classes e instâncias, servindo a empresas ou grupos de pesquisa, funcionando como ferramentas para manter a integridade do conhecimento compartilhado entre elas e garantindo um vocabulário uniforme; Recentemente o uso de ontologias tem se popularizado através de diversas outras subáreas da Ciência da Computação, tais como: Engenharia de Software, Banco de Dados e Sistemas de Informação, motivados pela Web Semântica, que é uma consequência direta do uso de ontologias [BERNERS-LEE et. al., 2001]. 4. Proposta

5 A proposta deste artigo é apresentar a Klon, uma ontologia para o domínio da clonagem. Considera-se que o entendimento e os processos de clonagem serão mais eficientes tendo como base um modelo formal de informações como essa ontologia. A Klon tem o objetivo de facilitar o entendimento do domínio, enfatizando os tipos de clonagem, identificando suas principais características e relações, além das principais motivações e benefícios de sua prática, auxiliando pesquisas e estudos científicos no âmbito da biologia. 4.1 Klon A ontologia foi desenvolvida utilizando o Protégé 3.4, um ambiente gráfico para criação e edição de ontologias e bases de conhecimento. A linguagem utilizada foi a OWL DL, que incorpora facilidades para publicar e compartilhar a ontologia proposta via Web [AZEVEDO et. al. 2008], além de ser a linguagem ontológica da Web [BERNERS-LEE et. al., 2001]. Foi utilizada a metodologia Methontology [CORCHO et. al., 2002], que permite a construção de ontologias no nível do conhecimento, fundamentada no padrão IEEE para o desenvolvimento de software baseado em conhecimento. A Methontology propõe passos bem definidos para a construção de ontologias, sendo eles: especificação, conceitualização, formalização, implementação e manutenção, planejamento, controle, garantia de qualidade, aquisição de conhecimento, avaliação, integração e documentação. [CORCHO et. al., 2005]. A seguir são descritas as principais classes modeladas na Klon: Clonagem: principal classe da ontologia onde o processo está designado de acordo com o domínio exposto, ou seja, o domínio da clonagem. A partir dela, derivam-se várias outras classes que posteriormente serão especializadas, contendo instâncias referentes ao armazenamento específico das informações. Tem como base o levantamento de requisitos e, através dos relacionamentos, farão uso das respectivas interligações entre as classes. As informações armazenadas nesta classe são oriundas não só do âmbito científico, mas também, do âmbito moral e religioso. Indivíduo a Clonar (Doadora): esta classe possui informações do ser doador, fator fundamental e inicial no processo de clonagem. Tomando por base esta classe, serão derivadas várias outras responsáveis em carregar fatores essenciais, a exemplo das informações referentes ao Patrimônio genético herdado pelo indivíduo clonado. Devido à dependência contínua entre classes especializadas no domínio como a do Indivíduo Hospedeiro e a da Clonagem (Terapêutica ou Reprodutiva), é notável um grande número de relacionamentos e ações entre várias outras classes pertencentes ao domínio. Indivíduo Hospedeiro (Hospedeira): classe responsável por armazenar dados sobre o ser hospedeiro, essencial para que o processo de clonagem ocorra e obtenha sucesso. Através dela derivam-se classes que farão significativo relacionamento com a classe Doadora, a fim de que o indivíduo clonado seja originado carregando os atributos genéticos do doador; Clonagem Natural: classe que contém todo o processo da clonagem natural, além de possuir relação direta e dependente com a classe de Reprodução Assexuada. A partir da classe Clonagem Natural serão derivadas várias outras

6 responsáveis por armazenar os diversos tipos de seres em que a clonagem natural pode ocorrer, sabendo que este processo ocorre, desde os primórdios, de forma espontânea na natureza. Clonagem Artificial: classe responsável por armazenar todo o processo que envolve a clonagem artificial, subdividindo-se nas subclasses Clonagem Terapêutica e Clonagem Reprodutiva. A classe Clonagem Artificial é essencial dentro do domínio da clonagem, pois é a base para existência de várias outras classes e relações a fim de atingir a conceitualização referente a cada uma das subclasses, proporcionando um melhor detalhamento de tal processo. Clonagem Terapêutica: classe que contém todo o processo da clonagem artificial terapêutica, bem como os relacionamentos que envolvem outras classes do domínio. Essa é uma subclasse da classe Clonagem Artificial, relacionandose diretamente com as classes Indivíduo Doador e Indivíduo Hospedeiro. Carrega informações para cultivo de células-tronco em laboratório e não da geração de outro indivíduo clonado; Clonagem Reprodutiva: classe específica para armazenar informações sobre todo o processo efetuado na clonagem artificial reprodutiva e suas respectivas relações com outras classes do domínio, obtendo ligação direta e dependente com as classes Doadora e Hospedeira. Na Clonagem Reprodutiva, a ênfase está na geração do indivíduo clonado que carregará características do indivíduo a ser clonado. É apresentado na Figura 1, parte do modelo implementado gerado pelo plugin owl viz do framework Protégé.

7 Figura 1: Parte dos conceitos definidos para a Klon Fonte: Próprio autor/ Cenários de Utilização e Benefícios do uso da Klon A Klon foi desenvolvida para considerar as informações sobre clonagem, processos de clonagem, benefícios da sua utilização, quais doenças a clonagem pode auxiliar na prevenção e tratamento, bem como alguns riscos e efeitos do mau uso da clonagem. De acordo com [WILMUT, 2004], a clonagem promete benefícios tão grandes que seria imoral deixar de fazê-la. A Klon fornece uma estrutura que pode ser utilizada para organizar a informação sobre clonagem, podendo servir de orientação para pesquisadores da área biológica e também de fundação para ontologias de domínios mais específicos, como por exemplo, a medicina. A perspectiva da clonagem de humanos vem desencadeando os mais diferentes e impactantes interesses na sociedade, sobretudo no que se refere ao

8 aperfeiçoamento da nova área da medicina, denominada medicina regenerativa [Alho 2004]. Para enfatizar melhor essas questões, serão apresentados alguns cenários de utilização dessa ontologia Pesquisas Científicas no Domínio da Clonagem O avanço da clonagem ganhou notoriedade com a criação da Dolly, o primeiro mamífero clonado oficialmente [AMBERKAR, 2009], aumentando a necessidade de pesquisas sobre o assunto, com o objetivo de se ter um maior conhecimento. As pesquisas científicas realizadas no domínio da clonagem requerem conhecimento, experiência e competência acerca do assunto a ser trabalhado. São importantes para o desenvolvimento de nossos conhecimentos básicos sobre, por exemplo, como o núcleo celular pode ser reprogramado para acionar o conjunto de genes que caracterizam uma determinada célula especializada, ou para nossa compreensão sobre a base genética de doenças que afligem o homem, ou ainda para ampliar nosso entendimento sobre como reprogramar genes humanos defeituosos [KRIEGER, 2003]. Tais pesquisas auxiliam no estudo de diversas outras pesquisas científicas, podendo assim trazer vários benefícios para a sociedade, onde podemos citar: a cura para doenças degenerativas como câncer e genes defeituosos, reparos em tecidos e órgãos danificados, cirurgia plástica, transplantes de órgão, bem como a solução de problemas como envelhecimento precoce, infertilidade, problemas cardíacos, dentre outros [AMBEKAR, 2009]. Segundo [WILMUT, 2004], a clonagem humana também possui o potencial de revolucionar outras áreas da pesquisa científicas na área biomédica, como por exemplo, o desenvolvimento e testes de medicamentos. As classes e os relacionamentos definidos na Klon podem ser utilizados para uma melhor compreensão, tanto para os tipos e processos da clonagem como para as discussões morais, éticas, jurídicas e científicas geradas a partir desse processo. A estrutura definida pela Klon pode ser útil para a definição de diversos tipos de pesquisas científicas que abrangem a clonagem. O entendimento e a compreensão no assunto para pesquisas e desenvolvimento de trabalhos científicos que envolvem os requisitos de clonagem podem ser facilmente tratados se for utilizada uma base de informações como a ontologia apresentada Estudo de Células-Tronco Células do embrião, denominadas células-tronco, têm potencialidade biológica para diferenciarem-se em células específicas de tecidos de qualquer órgão ou estrutura do corpo humano [Kipper et al 2003]. Sendo assim, a utilização de células-tronco é um processo que envolve conhecimento nas áreas de biologia, medicina e consequentemente na clonagem, visto pretender obter essas células de embriões humanos clonados. De acordo com [CRUZ, 2003], o uso de células-tronco embrionárias oferece grandes promessas no tratamento de muitas doenças em várias áreas da clínica médica. Ou seja, os estudos com células-tronco têm oferecido resultados interessantes sendo que estas pesquisas podem salvar muitas vidas ou, pelo menos, melhorar a qualidade de vida

9 de algumas pessoas [PENIDO, 2006]. Alguns males possivelmente curáveis pelo benefício médico da reposição celular com as células-tronco: mal de Alzheimer, mal de Parkinson, queimaduras, hepatite, diabetes, artrite, cirrose, paralisia, enfarte agudo do miocárdio. O conhecimento sobre células-tronco, obtido com base na Klon, pode auxiliar o entendimento do processo utilizado na clonagem artificial terapêutica, tratando essas informações de acordo com cada tipo de célula-tronco, distribuídas ao longo do organismo, mantendo sua potencialidade reprodutiva. 6. Validação Com o intuito de validar o trabalho, a Klon deverá ser capaz de auxiliar a busca de informações referentes ao domínio e responder as seguintes questões de competência: (a) Qual a expectativa da prática da clonagem em geral? (b) Quais os benefícios da clonagem, tanto reprodutiva quanto terapêutica? (b) Quais as motivações para a realização da clonagem humana no futuro? (c) Quais os danos individuais ou sociais gerados pela clonagem humana? (d) Pode-se considerar a religião como um obstáculo para os cientistas na reprodução da clonagem? 7. Conclusões e Trabalhos Futuros A Klon tem como meta cumprir o papel a qual se propõe, constituindo-se em uma ferramenta computacional com potencialidade interdisciplinar, unindo os campos da tecnologia da informação com a Engenharia Genética. Devido ao grau de importância definido pela Klon, esperam-se, para trabalhos futuros, que sejam estendidas as funcionalidades e os conceitos definidos na mesma, auxiliando a construção e a ampliação de outras ontologias da área de saúde com base nas informações compostas na Klon. A partir da Klon, poderão ser originadas algumas ontologias para domínios específicos, possivelmente aplicadas na área de saúde e da genética, onde se pode tomar como exemplo, a construção de uma ontologia para o domínio do DNA. Espera-se também, proporcionar reuso de informações para domínios específicos e apoiar a comunidade científica na obtenção de estudos e pesquisas, satisfazendo as expectativas dos mesmos e atendendo às necessidades da sociedade. Referências ALHO, C. S. (2004). Clones e a Clonagem Humana. In: Beatriz Dornelles. (Org.). Brasil e o Mundo. 1 ed. Porto Alegre, RS: EDIPUCRS, 2004, v. 1, p AMBEKAR, A. (2009). Benefits of Human Cloning. Disponível em: < Acessado em: Mai AZEVEDO, R. R., et al (2008). CoreSec: Uma Ontologia de Segurança Aplicada a Gestão de Processos de Negócios. BERNERS-LEE, T., LASSILA, O., HENDLER, J. (2001). The semantic web. In: Scientific American, 5:34-43.

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