Hackeando el Genoma, un desafío para la innovación

BIOINFORMÁTICA:

Blgo. Roberto Pineda Ch.

LA BIOINFORMÁTICA ES LA CIENCIA

QUE UTILIZA UNA COMBINACION DE

LAS TECNOLOGIAS DE LA

COMPUTACION, LAS CIENCIAS DE LA

INFORMACION Y EL CONOCIMIENTO

BIOLOGICO, PARA

COLECCIONAR, ALMACENAR, RELACIO

NAR, MODELAR E INTERPRETAR

DATOS BIOLOGICOS.

DEFINICIONES DEL NIH (2000)

BIOINFORMATICA BIOLOGIA COMPUTACIONAL

Investigación, desarrollo o

aplicación de herramientas y

enfoques computacionales,

para expandir el uso de datos

biológicos, médicos

conductuales o de salud;

incluyendo la adquisición,

almacenamiento,

organización, archivo,

análisis o visualización de los

datos.

El desarrollo y aplicación de

métodos de análisis de datos y

métodos teóricos, modelación

matemática y técnicas de

simulación

computacional, para el

estudio de sistemas

biológicos, conductuales y

sociales.

Biología, Informática y Computación

1600 S.XVII

Pascal

La Pascalina

La Calculadora UniversalLeibniz

1800 S.XIX

Darwin Mendel

1950 S.XX

ENIAC

V. Neumann y la EDVAC

Mauchly y Eckert

1950 S.XX

Rosalind Franklin y la difracción

De rayos XWatson y Crick

1969

Gran capacidad de cómputo

Ya tenemos la posibilidad de simular sistemas bien complejos.

Supercomputadora Cluster de computadoras

genoma

Célula

cromosomas

genes

los genes

contienen

instrucciones

para hacer

proteínas ADN

proteínas

las proteínas actúan

solas o en complejos

para realizar las

funciones celulares

ADN ADN

ARN

PROTEÍNAS

BASES MOLECULARES

DE LA VIDA

Fosfatos van unidos al azúcar en el C-5’ y el C-3’

Hebras antiparalelas

Punta 3’ librePunta 5’ libre

ACIDOS NUCLEICOS

Crick demostró que los aminoácidos de una proteína van a estar codificados por la secuencia de tres bases consecutivas (codones) en el mRNA

Los codones que codifican para una proteína son los que se encuentran después de un triplete de inicio AUG.

CÓDIGO GENÉTICO

Código GenéticoSegunda letra

Primera

letra

Tercera

letra

Gen 2

Polimerasade RNA

Cadena molde gen 1

Polimerasade RNA

RNA Cadena molde gen 2

Cadena antisentido gen 2

Cadena antisentidogen 1

Gen 1

Cadenas de DNA utilizadas como molde en la transcripción

TRANSCRIPCIÒN

La ARN polimerasa se activa cuando forma un complejo con los factores de transcripción o elementostrans. La interacción de estos entre sí, y con las secuencias reguladoras del ADN(los factores cis) es la que determina donde, cuando y con qué rapidez ocurre la transcripción

ARN de transferencia activado: cargado con el aminoácido correspondiente

Aminoacidos

tRNA

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR

Hebra molde

Transcripción

Traducción

TRADUCCIÓN

ARN --- Proteína

Cuatro monómeros de aminoácidos

Reacción de condensación

Polipéptido

Enlace peptídico catalizado por el complejo enzimático localizado en el ribosoma

01_03_3.jpg

No polares o hidrofóbicos

01_03_2.jpg

Polares neutros

En sus residuos tienen grupos aminos, hidroxilos o sulfidrilos

Estructura cuaternaria: combinación de monómeros

Microtúbulos• Los microtúbulos intervienen en diversos

procesos celulares que involucran desplazamiento de vesículas de secreción, movimiento de orgánulos, transporte intracelular de sustancias, así como en la división celular (mitosis y meiosis) y que, junto con los microfilamentos y los filamentos intermedios, forman el citoesqueleto. Además, constituyen la estructura interna de los cilios y los flagelos.

• Los microtúbulos son heteropolímeros de α- y β-tubulina, los cuales forman dímeros, que son su unidad estructural.1 Los dímeros polimerizan en 13 protofilamentos, que luego se agregan lateralmente para formar estructuras cilíndricas huecas. Para polimerizar se requiere la presencia de dímeros a una concentración mínima determinada denominada concentración crítica, aunque el proceso se acelera por la adición de núcleos, que son elongados.

Luciferasa: • La imagen muestra a una molécula

globular con un centro de color fosforescente. Una explicación simplificada del funcionamiento de esta proteina nos dice que con la ayuda de otra proteina llamada luciferin se forma un complejo que cataliza oxígeno y otra molécula energética llamada trifosfato de adenosina o ATP (por sus siglás en inglés) para generar dióxido de carbono que en el proceso emite fotones de luz verde. Además de su uso en la naturaleza, científicos usan esta enzima para medir procesos biológicos que consumen energía proveniente del ATP.

Receptores Nucleares o Citoplasmáticos • Los receptores nucleares o citoplasmátics son proteínas solubles

localizadas en el citoplasma o en el núcleo celular. La hormona que pasa a través de la membrana plasmática, normalmente por difusión pasiva, alcanza el receptor e inicia la cascada de señales. Los receptores nucleares son activadores de la transcripción activados por ligandos, que se transportan con el ligando u hormona, que pasan a través de la membrana nuclear al interior del núcleo celular y activan la transcripción de ciertos genes y por lo tanto la producción de una proteína.

• Los ligandos típicos de los receptores nucleares son hormonas lipofílicas como las hormonas esteroideas, por ejemplo la testosterona, la progesterona y el cortisol, derivados de la vitamina A yvitamina D. Estas hormonas desempeñan una función muy importante en la regulación del metabolismo, en las funciones de muchos órganos, en el proceso de desarrollo y crecimiento de los organismos y en la diferenciación celular. La importancia de la fuerza de la señal es la concentración de hormona, que está regulada por:

• Los receptores nucleares que son activados por hormonas activan receptores específicos del ADN llamados elementos sensibles a hormonas (HREs, del inglés Hormone Responsive Elements), que son secuencias de ADN que están situados en la región promotora de los genes que son activados por el complejo hormona receptor. Como este complejo activa la transcripción de determinados genes, estas hormonas también se llaman inductores de la expresión genética.

Androgen Receptor

Ecdysone Receptor

Vitamin D Receptor

1950 S.XX

Rosalind Franklin y la difracciónDe rayos X

Watson y Crick

http://www.youtube.com/watch?v=8O3qEtH76OA

Cibernetica y TGS

Wiener Bertalanffy

Matrimonio: Biología e Informática

• historia

genoma

Célula

cromosomas

genes

los genes

contienen

instrucciones

para hacer

proteínas ADN

proteínas

las proteínas actúan

solas o en complejos

para realizar las

funciones celulares

ADN ADN

ARN

PROTEÍNAS

BASES MOLECULARES

DE LA VIDA

Humanos30,000 genes

GENOMAS

Chimpancé30,000 genes

A. thaliana25,000 genes

Ratón30,000 genes

C. elegans19,000 genes

D. melanogaster13,000 genes

95% idéntico

70%

20%

60%

De 289 geneshumanos implicados enenfermedades,hay 177cercanamentesimilares a los genes deDrosophila.

Entre una persona y otra el ADN solo difiere en 0.2%

El genoma de un organismo es el juego completo de ADN. La planificación del Proyecto Genoma Humano se inició en

1986, previsto para el 2007. En Junio de 2000 se presentó el 90% del borrador con la secuenciación de unos 30,000 genes y 3 mil millones de pares de bases (pb). Los genes son secuencias específicas de bases que codifican instrucciones para hacer proteínas. Los genes son un 2% del genoma humano.

IDENTIDAD GENÉTICA

Tecnología del ADN

“OMICS”

GENOMA

A

X

B

C

E

TRANSCRIPTOMA

PROTEOMA

METABOLOMA

FISIOMA (órganos)

FENOMA (fenotipos)

NUMEROS PARA PENSAR:

•Moléculas orgánicas conocidas 107

•Especies de seres vivos 106 millones (108)

•Genes en el Genoma Humano 34 000

•“Espacio de Estados” del genoma 234 000 = 1010 000 (!)

•Proteínas de una célula 100 000

•Anticuerpos diferentes en un individuo 108

•Anticuerpos diferentes posibles 1030

•Proteínas existentes en la biosfera 108 x 105 = 1013

•Proteínas (100aa) posibles con 20aa = 20100 10130

•Neuronas en el cerebro 1011

•Conexiones inter-neuronales 1015

•Moléculas de Hidrógeno en el universo conocido 1060

Bases de Datos

• Biodiversidad

• Moleculares:

– Secuencias

– Estructuras

– Redes y Ontologias

Alineamiento de Secuencias

• Secuenciamiento Shot Gun

• Algoritmo Smith-Waterman

• Matrices PAM, (Point Accepted Mutation)

• Evolución de Secuencias y Proteínas

M&M

• http://www.youtube.com/watch?v=8O3qEtH76OA

BioNetworks

http://oracleofbacon.org/

EQUILIBRIO CAOS

Alejado del Equilibrio

Al Borde del Caos

Equilibrio Caos

ESTRUCTURA DISIPATIVA

Sistemas Dinamicos Complejos

Modelado Basado en Agentes

• http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/WolfSheepPredation

• http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Flocking

• http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Ants

• http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Daisyworld

Sistemas

• Conway: Juego de la Vida• http://www.bitstorm.org/gameoflife/

• Biomorfos: Richard Dawkins• http://www.annanardella.it/biomorph.html#quick

• Autopoiesis: Maturana• http://ccl.northwestern.edu/courses/mam2009/student_work/Autopoiesis.html

• Kauffman: redes boleanas• http://www.mariusthart.net/specials/kauffman/kauffman.html

Disciplinaridad

• Multidisciplinariedad

• Interdisciplinariedad

• Transdisciplinariedad

Biomimetica

• Educación: Piaget

• Memética: Dawkins

• Algoritmos Genéticos

• Redes Neurales