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tema sobre Bioinformatica

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  • 1. Artículo OriginalFunción e Importancia de la Bioinformática en el Desarrollode las Ciencias, Especialmente en Biotecnología y MedicinaMolecularFUNCTION AND IMPORTANCE OF BIOINFORMATICS IN THE DEVELOPMENT OF SCIENCES, SPECIALLY INBIOTECHNOLOGY AND MOLECULAR MEDICINEJorge Martínez HormazábalLicenciado en Ingeniería en Biotecnología Molecular. Bachiller en Ciencias Naturales y Exactas.Tesista de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile. Profesor Ayudante de la Universidad Mayor. RESUMEN ABSTRACT Estamos en el término de la era tecnológica de la Informática, al We are at the end of the technological era of informatics, at the comienzo, tal vez, de nuevas eras como la Biotecnología, la beginning, perhaps, of new eras such as biotechnology, molecular Medicina Molecular y la Nanotecnología; eso conlleva a que la medicine and nanotechnology. That implies that informatics as such Informática como tal se ha fusionado con la Genética y Biología has merged with genetics and molecular biology generating Molecular, generando la Bioinformática y, con la Medicina, bioinformatics and medicine generating medical informatics. generando la Informática Médica. Genome sequencing implies the need of obtaining conclusions of the La secuenciación de genomas lleva la necesidad de obtener conclu- reading of those millions of base pairs, knowing what they codify, how siones de la lectura de esos millones de pares de bases, saber qué they relate and regulate the expression of the various genetic products, codifican, cómo se relacionan y regulan la expresión de los distin- as well as finding the function of unknown proteins by homology to tos productos génicos, además de encontrar la función de proteínas known function proteins and of generating models that allow the study desconocidas por homología a proteínas con función conocida y de of specific mutations. The speed and efficacy of such conclusions have generar modelos que permitan estudiar mutaciones puntuales. La been possible thanks to the development of bioinformatics. rapidez y eficacia de esas conclusiones se ha generado gracias al This article has the objective of providing a basic description of desarrollo de la Bioinformática. bioinformatics, its relationship with medical informatics, its main tools, Este artículo tiene por objetivo entregar una descripción básica de data bases and functions in molecular medicine and biotechnology. la Bioinformática, su relación con la Informática Médica, sus prin- cipales herramientas, bases de datos y funciones en la Medicina Descriptors: COMPUTATIONAL BIOLOGY; BIOTECHNOLOGY, PRO- Molecular y Biotecnología. TEOMICS, GENOMICS; MOLECULAR DIAGNOSTIC TECHNIQUES; MEDICAL INFORMATICS. (Martinez J. 2006. Función e Importancia de la Bioinformática en el Desarrollo de las Ciencias, Especialmente en Biotecnología y Medicina Molecular. Cienc Trab, Oct-Dic.;8 (22):159-163). Descriptores: BIOLOGÍA COMPUTACIONAL, BIOTECNOLOGÍA, PROTEÓMICA, GENÓMICA, TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO MOLE- CULAR, INFORMÁTICA MÉDICA.INTRODUCCIÓN proteínas separadas en geles 2-D y caracterizadas por espectro- metría de masas llevan a generar insospechados datos, de los queEstamos en la era post-genoma humano, la era de las ómicas: la se conocen propiedades globales, pero no en detalle (Bensmail yGenómica, la Proteómica, la Metabolómica y la Citómica, que Haoudi 2003).conllevan una gran cantidad de datos a analizar. La secuencia- La aplicación de las nuevas técnicas en Proteómica y Genómicación masiva de genomas, la determinación de estructuras de Funcional ha cambiado el escenario: de conocer una función,proteínas, el seguimiento, la expresión de miles de genes simul- buscar el gen responsable y estudiar la proteína individual atáneos, la determinación de interacciones entre proteínas y el tener una gran cantidad de genes a los cuales hay que buscar suestudio sistemático de las modificaciones pos-traduccionales de función y la necesidad de estudiar las relaciones entre muchas proteínas (Dopazo et al. 2001). El análisis de estos datos entrega las enormes posibilidades en áreas como la Medicina, la Biología y la Biotecnología, desde los estudios evolutivos hasta la producción de nuevas medicinasCorrespondencia / Correspondence: capaces de interrumpir selectivamente puntos específicos enJorge Martínez Hormazábal redes de interacción entre proteínas, por lo cual, laLas Palmeras 3425 Bioinformática es crucial para lograr estos objetivos.Ñuñoa, Santiago Utilizamos el término Bioinformática sin saber los distintos signi-Tel: 08-26918005 ficados que tiene según el especialista al que se pregunta; gene-e-mail: jorgemartinezh@gmail.com ralmente, cuando hablamos de Bioinformática nos referimos a unRecibido: 16 de octubre de 2006 / Aceptado: 09 de noviembre de 2006 amplio abanico de actividades que van desde el simple uso deCiencia & Trabajo | AÑO 8 | NÚMERO 22 | OCTUBRE /DICIEMBRE 2006 | www.cienciaytrabajo.cl | 159/163 159
  • 2. Artículo Original | Martínez Jorgeprogramas informáticos de análisis de secuencias a la biología in El desarrollo de nuevos algoritmos (fórmulas matemáticas) ysílico, pasando por el desarrollo de algoritmos (Dopazo et al. estadísticos con los cuales se pueda relacionar partes de un2001). conjunto enorme de datos, como por ejemplo métodos para loca-Este artículo tiene por objetivo entregar una descripción básica lizar un gen dentro de una secuencia, predecir estructura ode la Bioinformática, su relación con la Informática Médica, sus función de proteínas y poder agrupar secuencias de proteínas enprincipales herramientas, bases de datos y funciones en la familias relacionadas.Medicina Molecular y Biotecnología. No debemos confundirla con la Informática Médica y la Telemedicina, que son los nexos entre la Informática y las Ciencias de la Salud, aunque el desarrollo de Medicina Molecular,UNA DEFINICIÓN DE BIOINFORMÁTICA con un gran avance en Genética Molecular y Genómica conlleva un gran desarrollo de la Bioinformática.Antes de hacer una definición clara, es necesario analizar las rela-ciones entre la Biología y Computación, pues cada una de éstastiene objetivos y metodologías claras. HERRAMIENTAS QUE ENTREGALa Biología computacional es la aplicada a solución de problemas LA BIOINFORMÁTICAbiológicos no moleculares mediante modelización y simulación;ejemplo es el estudio de ecosistemas en Ecología. Las herramientas Bioinformáticas han nacido de la necesidad deLa Biocomputación es el desarrollo de sistemas computaciones trabajar específicamente con una gran cantidad de secuencias debasados en modelos y materiales biológicos; ejemplo son los DNA y Proteínas que se encuentran almacenadas en bases debiochips, los biosensores y el cálculo de problemas utilizando los datos (Coulson 1994); esta información se puede utilizar paraprocesos biológicos del ADN (DNA Computing). buscar las propiedades de una secuencia, comparándola conLa Bioinformática, llamada también Biología Molecular secuencias semejantes con propiedades conocidas o a través deComputacional, corresponde como tal a una disciplina científica reglas para predecir propiedades de secuencias nuevas (Altschulque utiliza tecnología de la información para organizar, analizar y et al. 1997; Thompson et al. 1994).distribuir información de Biomoléculas con la finalidad deresponder preguntas complejas (Altschul et al. 1994). Entre las herramientas bioinformáticas más comunes para laLa Bioinformática abarca el uso de técnicas y herramientas utili- obtención de información, tenemos (Dopazo 2001):zadas en tres disciplinas separadas; la Biología Molecular (donde se • La obtención de secuencias de DNA o proteínas similares a laoriginan los datos a analizar), la Computación (que proporciona el secuencia problema.hardware, las vías de comunicación de los resultados entre investi- • La obtención de secuencias con palabras clave o informacióngadores) y el análisis de datos mediante algoritmos (que entrega los similar a la secuencia problema.programas y resultados a analizar) (Richon 2004). • La búsqueda de motivos funcionales o estructurales en laSegún la definición del Centro Nacional para la Información secuencia problema y obtención de secuencias que contienenBiotecnológica —National Center for Biotechnology Information— los mismos motivos.(NCBI por sus siglas en inglés, 2001): "Bioinformática es un campo • El alineamiento múltiple de la secuencia problema con otrasde la ciencia en el cual confluyen varias disciplinas tales como: similares, y definición de regiones conservadas y variables.biología, computación y tecnología de la información. El fin último • Ensamblaje de fragmentos de DNA y creación de mapas genó-de este campo es facilitar el descubrimiento de nuevas ideas bioló- micos.gicas así como crear perspectivas globales a partir de las cuales se • Predicción de estructura y dinámica de macromoléculas.puedan discernir principios unificadores en biología. Al comienzo • La reconstrucción de la filogenia a partir del alineamiento.de la revolución genómica, el concepto de bioinformática se refería • La construcción de un motivo característico del alineamientosólo a la creación y mantenimiento de base de datos donde se alma- y el uso de éste para encontrar nuevas secuencias con motivoscena información biológica, tales como secuencias de nucleótidos y comunes con el alineamiento previamente realizado.aminoácidos. El desarrollo de este tipo de base de datos no sola- • Estudio de todos los genes y proteínas de un organismo:mente significaba el diseño de la misma sino también el desarrollo “Genómica y proteómica funcional”.de interfaces complejas donde los investigadores pudieran acceder • La generación de partidores para diseñar PCR.a los datos existentes y suministrar o revisar datos.Luego toda esa información debía ser combinada para formar una Bases de datos de la Bioinformática y su papel centralidea lógica de las actividades celulares normales, de tal manera que Los organismos vivos se encuentran formados por células y éstaslos investigadores pudieran estudiar cómo estas actividades se contienen ADN como material genético; la secuenciación de lasveían alteradas en estados de una enfermedad. De allí viene el bases del ADN de los cromosomas de un organismo correspondesurgimiento del campo de la bioinformática y ahora el campo más al genoma de éste. Actualmente la velocidad de secuenciación depopular es el análisis e interpretación de varios tipos de datos, genomas ha sido rápido, desde 1995, generando una colección deincluyendo secuencias de nucleótidos y aminoácidos, dominios de genomas simples de bacterias, menores y más fáciles de secuen-proteínas y estructura de proteínas. ciar, hasta genomas de organismos superiores.El proceso de analizar e interpretar datos biológicos es conocidocomo biocomputación. Dentro de la bioinformática y la biocompu- Bases de datos de secuencias de nucleótidostación existen otras sub-disciplinas importantes: Para acceder a las bases de datos de nucleótidos, podemos usarEl desarrollo e implementación de herramientas que permitan el las siguientes bases de datos:acceso, uso y manejo de varios tipos de información. GenBank at the NCBI (Bethesda, Maryland,USA).160 159/163 | www.cienciaytrabajo.cl | AÑO 8 |NÚMERO 22 | OCTUBRE /DICIEMBRE 2006 | Ciencia & Trabajo
  • 3. Artículo Original | Función e Importancia de la Bioinformática en el Desarrollo de las Ciencias, Especialmente en Biotecnología y Medicina Molecular - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Entrez También existen bases de datos de estructuras en 3 D cristali-The European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Nucleotide zadas; éstas contienen archivos que pueden visualizarse con unSequence Database at the European Bioinformatics Institute (EBI) programa de estructuras. Las bases de datos que nos entreganin Hinxton, near Cambridge, UK estructuras son: - http://www.ebi.ac.uk Protein Data Bank (PDB)The DNA Database of Japan (DDBJ) at the National Institute of - http://www.rcsb.org/pdbGenetics in Mishima, Japan. The Molecular Modeling Database (MMDB) - http://www.ddbj.nig.ac.jp. - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure The Fold classification based on Structure-Structure alignment ofEstas grandes bases de datos forman el International Nucleotide Proteins database (FSSP)Sequence Database, http://www.insdc.org/ la cual combina cola- - http://www.ebi.ac.uk/dali/fsspborativamente los datos de estas tres grandes bases de datos de The Structural Classification Of Proteins (SCOP)secuencias de nucleótidos. - http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop The CATH databaseBases de datos de proteínas - http://www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath_newLas proteínas generan más de un problema en el momento dealmacenarlas en bases de datos; existen bases de datos generadosa partir de la traducción de los genomas, los que tienen el INTERACCIONES ENTRE PROTEÍNASproblema de ser redundantes. Para aquello se requieren bases dedatos no redundantes, entre las cuales tenemos: La tecnología del sistema de dos híbridos en levadura permite detectar proteínas que potencialmente interaccionan. Este tipo deThe NCBI protein database (Entrez Proteins) análisis ha comenzado a realizarse para varios genomas, particu- - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez) larmente el de Helicobacter pylori, que puede convertirse en elSWISS-PROT primer genoma para el que se llegue a conocer un conjunto sufi- - http://www.expasy.org/sprot cientemente representativo de la red completa de interaccionesTrEMBL (Translated EMBL) entre proteínas. - http://www.expasy.org/sprot). Estos datos constituyen la base del posible desarrollo de nuevosPIR (Protein Information Resource) medicamentos que tengan como objetivo interrumpir interac- - http://pir.georgetown.edu ciones específicas en lugar de, como hacen los medicamentos actuales, anular completamente todas las funciones de una oPara evitar problemas de análisis se ha generado una clasifica- varias proteínas.ción de familias que agrupan proteínas con características de Los métodos experimentales se apoyan de métodos bioinformá-dominio, motivos, dominio y motivos (Hofmann et al. 1999). ticos para la predicción de interacciones entre proteínas. El conjunto completo de interacciones detectadas experimental-Bases de datos de motivos mente o predichas requiere del desarrollo de bases de datos yPROSITE sistemas capaces de mantener y manipular esta información, -http://www.expasy.org/prosite, detrás de la cual está el problema fundamental del funciona-The BLOCKS database miento de los complejos sistemas de interacciones en rutas meta- - http://www.blocks.fhcrc.org bólicas y caminos de señalización (Friddle et al. 2000).The PRINTS database Entre las bases de datos de interacción entre proteínas se encuen- - http://www.bioinf.man.ac.uk/dbbrowser/PRINTS tran: http://dip.doe-mbi.ucla.edu/Bases de datos de dominios http://www.genebio.com/Melanie.htmlPfam http://pim.hybrigenics.com/pimriderlobby/current/PimRider - http://www.sanger.ac.uk/Software/Pfam LobbyHiv.htmSimple Modular Architecture Research Tool http://www.cellzome.com/ - http://smart.embl-heidelberg.deThe ProDom database Bases de datos por organismo - http://www.toulouse.inra.fr/prodom.html También existen bases de datos especificas a la secuenciación delClusters of Orthologous Groups of proteins (COG) database, genoma de organismos, entre ellos tenemos:maintained at the NCBI E Coli - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG - http://www.genome.wisc.edu y http://ecoli.aist-nara.ac.jp Candida albicansBases de datos conjuntas de motivos y dominios - http://sequence-www.stanford.edu/group/candidaIntegrated Resource of Protein Families, Domains and Dictyostelium discoideumSitesInterPro, - http://www.uni-koeln.de/dictyostelium - http://www.ebi.ac.uk/interpro Entamoeba histolyticaThe NCBIs Conserved Domain Database and Search Service - http://homepages.lshtm.ac.uk/entamoeba/(CDD) Giardia lamblia - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml - http://www.mbl.edu/GiardiaCiencia & Trabajo | AÑO 8 | NÚMERO 22 | OCTUBRE /DICIEMBRE 2006 | www.cienciaytrabajo.cl | 159/163 161
  • 4. Artículo Original | Martínez JorgeLeishmania major APLICACIONES EN MEDICINA MOLECULAR Y - http://www.mbl.edu/Giardia BIOTECNOLOGÍANeurospora crassa - http://mips.gsf.de/proj/neurospora/ La secuenciación del Genoma Humano entregó una fuente de datosPlasmodium falciparum sobre las relaciones de genes humanos y algunas enfermedades, a - http://www.plasmodb.org través de conocer causas moleculares de éstas y descubrir cómo lasPneumocystis carinii diferencias Genéticas entre las personas causan o contribuyen a la - http://biology.uky.edu/Pc expresión de enfermedades. La Medicina Molecular es la uniónCaenorhabditis elegans entre la Medicina y la Genómica. Dentro de ésta nace la Medicina - http://www.wormbase.org Genómica, definida como el análisis Genotípico de un individuoDrosophila melanogaster para cambiar su medio ambiente, prevenir y tratar enfermedades - http://flybase.bio.indiana.edu/ detectadas en el análisis; la Medicina Individual, que consiste en laHomo Sapiens aplicación de la Genómica para identificar la predisposición indi- - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim vidual para desarrollar una enfermedad y para diseñar terapias adaptadas a los perfiles genéticos de los pacientes y que, por tanto, podrían prescribirse con seguridad y eficiencia (Uwe et al. 2000).ANÁLISIS DE PATRONES DE EXPRESIÓN GÉNICA En conjunto, constituyen tres áreas de desarrollo para el futuro. La primera busca, en mayor medida, el conocimiento de la enfer-El desarrollo de la tecnología conocida de los Microarrays, mediante medad; la segunda, determinar la existencia de defectos genéticosla cual se pueden unir a pequeñas piezas de soportes sólidos decenas y su efecto en la salud del individuo, a partir de la relación con unde miles de sondas capaces de detectar específicamente la expresión entorno particular; y, la última, reconocer las diferencias genéticasde un determinado gen en cada una de ellas, ha permitido comparar entre las personas, para tratarlas acordes a éstas.los niveles de expresión génica entre células normales y células La Medicina Molecular y la Biotecnología son áreas de desarrollotumorales (Uwe et al. 2000). Una de sus potenciales aplicaciones es e innovación tecnológica. El progreso de ambas se encuentra estre-la posibilidad de detectar rápidamente patologías por medio del chamente relacionado a través de la investigación Genómica,análisis de las características genotípicas de distintos individuos, Posgenómica (Proteómica y Metabolómica) y la Bioinformática.además de detectar, por ejemplo, qué tipo de medicina puede ser más La identificación de las causas moleculares de las enfermedadesútil para el perfil de expresión de un individuo concreto (Berns 2000). junto con el desarrollo de la industria Biotecnológica yLas aproximaciones experimentales basadas en Microarrays se ha Farmacéutica permitirán el desarrollo de mejores métodos de diag-extendido enormemente debido a su aparente simplicidad técnica nóstico, la identificación de dianas terapéuticas y el desarrollo deunida a una enorme potencia para explorar sistemas complejos. Es fármacos personalizados, así como una mejor medicina preventivaimportante darse cuenta de que buena parte de los problemas (Iliopoulos et al. 2000).asociados a su aplicación son computacionales, tanto en lo referidoa la manipulación y almacenamiento de la compleja información Figura 1.experimental generada como, y más importante, para la interpreta- Relación entre la Informática, las Ciencias de la Salud, la Biologíación de los resultados. Este tipo de interpretación puede referirse a Molecular, la Genética y la Biotecnología.problemas como la detección de genes con patrones de expresiónsimilares y de las posibles características funcionales que explicanesta similitud en sus patrones de expresión.PRINCIPALES PÁGINAS SOBRE MICROARRAYSHerramientas para el análisis de Microarrayshttp://bioinfo.cnio.es/cgi-bin/tools/clustering/sotarrayhttp://www.microarrays.org/http://ep.ebi.ac.uk/http://www.applied-maths.com/ge/ge.htmhttp://www.tigr.org/softlab/http://www.partek.com/http://www.nhgri.nih.gov/DIR/LCG/15K/HTML/http://discover.nci.nih.gov/nature2000/http://www.rii.com/http://genome-www4.stanford.edu/MicroArray/SMD/ restech.html Las Áreas de la Salud, la Biología Molecular, la Genética y lahttp://www.pdg.cnb.uam.es/geisha/ Informática han comenzado a acercarse haciendo su relación más estrecha, para responder a las demandas que surgirán de laPrincipales páginas de expresión Medicina Molecular. Parece apropiado pensar que, parahttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ comprender las causas de las enfermedades y avanzar en el diag-http://www.ebi.ac.uk/arrayexpress/ nóstico, terapias seguras e individualizadas, será necesario unir lahttp://beamish.lbl.gov/ Bioinformática, la Informática Médica y el medio ambiente.162 159/163 | www.cienciaytrabajo.cl | AÑO 8 |NÚMERO 22 | OCTUBRE /DICIEMBRE 2006 | Ciencia & Trabajo
  • 5. Artículo Original | Función e Importancia de la Bioinformática en el Desarrollo de las Ciencias, Especialmente en Biotecnología y Medicina MolecularCONCLUSIONES Las herramientas de la Bioinformática han cambiado muchos ámbitos del estudio de las Ciencias. Actualmente todos losLa comunicación sin hilos, la Internet de alta velocidad, el desa- equipos de Biología Molecular y Medicina traen software másrrollo de computadores con procesadores cada vez más rápidos y especializados y el rol del científico, más que hacer el experi-económicos (véase la ley de Moore), la aparición de nuevas inter- mento, va en interpretar y manejar correctamente los datos; porfases multimedia (que permitirán, vía resultados de microarrays y lo cual es imprescindible que todo profesional de estas áreasgeles 2-D para diagnosticar certeramente muchos tipos de enferme- desarrolle conocimientos en su uso y aplicación, además que sedades, seguir la eficacia de su tratamiento); la investigación de formen profesionales específicos en esta área que solucionen laspropiedades de nuevas proteínas, la remodelación de éstas mediante incógnitas que vayan apareciendo, pues cada vez más aumen-programas que simulan su actividad y el estudio de las vías meta- tarán las bases de datos y cada vez más tendremos nuevasbólicas con las relaciones entre proteínas, proponen un presente y preguntas: esto es el comienzo.futuro totalmente revolucionario.REFERENCIASAltschul SF, Boguski MS, Gish W, Wootton JC. 1994. Issues in searching molecular Hofmann K, Bucher P, Falquet L, Bairoch A. 1999. The PROSITE database, its status sequence databases. Nat Genet. 6: 119-29. in 1999. Nucleic Acids Res. 27: 215-9.————. Madden TL, Schaffer AA, Zhang J, Zhang Z, Miller W, et al. 1997. Gapped Iliopoulos I, Tsoka S, Andrade MA, Janssen P, Audit B, Tramontano A, et al. 2000. BLAST and PSI-BLAST a new generation of protein DB search programs. Nucleic Genome sequences and great expectations. Genome Biol. 2(1): interactions Acids Res. 25:3389-402. 0001.1-0001.3.Bensmail H, Haoudi A. 2003. Postgenomics: proteomics and bioinformatics in cancer Richon AB. 2004. A Short History of Bioinformatics. Network Science. research. J Biomed Biotechnol. (4): 217–30. Disponible en Internet: http://www.netsci.org/Science/Bioinform/featureBerns A. 2000. Gene expression in diagnosis. Nature. (403): 491-2. 06.html. [Accesado el 20/10/2006]Coulson A. 1994. High performance searching of biosequence databases. Trends Thompson JD, Higgins DG, Gibson TJ. 1994. CLUSTALW: improving the sensitivity of Biotechnol. 12: 76-80. progressive multiple sequence alignment through sequence weighting positionDopazo J, Zanders E, Dragoni I, Amphlett G, Falciani F. 2001 Methods and approa- specific gap penalties and weight matrix choice. Nucleic Acids Res. 22:4673-80. ches in the analysis of gene expression data. J Immunol Methods. 250: 93-112. Uwe S, Douglas T, Ross MW, Lawrence HS, Jae KL, Lorraine T, et al. 2000. A geneFriddle CJ, Koga T, Rubin EM, Bristow J. 2000. Expression profiling reveals distinct expression database for the molecular pharmacology of cancer. Nat Genet. sets of genes altered during induction and regression of cardiac hypertrophy. March. (24): 236-44. Proc Natl Acad Sci. USA 97: 6745-50.Ciencia & Trabajo | AÑO 8 | NÚMERO 22 | OCTUBRE /DICIEMBRE 2006 | www.cienciaytrabajo.cl | 159/163 163

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