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Nasceu em 12 de julho de 1904, na cidade de Lavras (MG), filho de Gastão de Azevedo Villela e Iracema Guimarães Villela. Em 1926 formou-se pela Faculdade de Medicina da Universidade do Rio de Janeiro, atual Universidade Federal do Rio de Janeiro. Sua trajetória no Instituto Oswaldo Cruz (IOC) teve início em 1928, quando foi admitido como assistente. Em 1937 foi nomeado biologista e em 1969 pesquisador. Além disso, chefiou a Divisão de Química do IOC entre 1942 e 1964. Exerceu também os cargos de auxiliar técnico da cadeira de zoologia da Faculdade de Farmácia do Rio de Janeiro em 1927 e de assistente do Laboratório Geral do Hospital São Francisco de Assis de 1929 a 1930. Realizou significativos trabalhos no campo da bioquímica, com contribuições no estudo das vitaminas e enzimas. Além disso, dedicou-se ao estudo dos biocromos, com foco na pigmentação dos animais. Sua trajetória não se limitou apenas ao meio científico brasileiro, visto que alcançou reconhecimento internacional com livros e artigos publicados em periódicos científicos da Inglaterra e Estados Unidos. Visitou importantes centros de pesquisas, como a Escola de Medicina da Universidade da Califórnia, a Universidade de Londres, o Instituto Pasteur, a Universidade de Nagoya e a Universidade de Nova York, onde também atuou como professor visitante. Foi membro da Academia Nacional de Medicina, da Academia Brasileira de Ciências, da New York Academy of Sciences e da Société de Chimie Biologique de Paris, entre outras. No Brasil ainda liderou diversas conferências pelo país com o objetivo de estudar doenças relacionadas à desnutrição, quando participou da Campanha Nacional das Vitaminas promovida pela Associação Brasileira de Química. Devido à sua atuação científica, conquistou em 1957 o prêmio Nacional de Alimentação e, posteriormente, o prêmio Oswaldo Cruz em 1971 com a tese Salicilato de sódio e atividade da desidrogenase L-glutâmica no cérebro. Dedicou grande parte da sua vida ao IOC, sendo desligado do seu cargo apenas após sua aposentadoria compulsória, ao completar setenta anos. Isso não ocasionou o afastamento do pesquisador da instituição. Em 1975 foi nomeado membro da redação das Memórias do Instituto Oswaldo Cruz. Morreu em 17 de julho de 1977, no Rio de Janeiro.