La Bioinformática al servicio de la lucha contra el bioterrorismo

Transcripción

1 Dr. Guillermo López Campos. Medical Bioinformatics Dept. Instituto de Salud Carlos III Madrid La Bioinformática al servicio de la lucha contra el bioterrorismo Máster en Bioterrorismo, Prevención Epidemiológica, Ciberterrorismo y Amenazas Químicas Granada 27 de Abril de 2012

2 Presentación Introducción La bioinformática como herramienta general en la lucha contra el bioterrorismo Microbiología forense Recursos para microbiología Recursos específicos - Bases de datos especializadas Herramientas Bioinformáticas Técnicas asociadas con la Bioinformática Introducción a los Microarrays Aplicaciones para la detección de agentes de interés Desarrollos del área de Bioinformática

3 Presentación

4 Instituto de Salud Carlos III Ministerio de Ciencia y Tecnología Organismo Autónomo - soporte científico y tecnológico al Sistema Nacional de Salud Organismo Público de Investigación Competencias en: Servicios aplicados, formación e investigación (Epidemiología, Microbiología, Medicina tropical, Salud ambiental, Enfermedades raras, Productos sanitarios, Escuela Nacional de Sanidad, nuevas tecnologías) Fomento y evaluación de la investigación biomédica Redes y centros de investigación cooperativa Proyectos internacionales Centros orientados a patologías (CNIO, CNIC)

5 Área de Bioinformática Médica Se creó en 1998 I+D en nuevas tecnologías para el tratamiento de la información genética y su aplicación en la investigación biomédica y la práctica clínica La Unidad esta constituida por un equipo multidisciplinar.

6 Área de Bioinformática y Salud Microarray & Bioinformatics Lab Biomedical Informatics Lab Lactococcus garvieae VHC & VIH SNPs Cancer colorrectal ImmunoFLU SIRABAD RETIC COMBIOMED Proyectos europeos (6) CYTED Iberoamerican networks NBIC Nanoinformatics Lab NanoSost NanoBioresourceome Red CYTED IberoNBIC 6

7 Área de Bioinformática Médica Proyectos de investigación Educación Asesoría y transferencia tecnológica Producción científica Participación en redes

8 Introducción L.G. Sercambi, AP Photo/Kyodo News Utilización de agentes infecciosos como arma Sitio de Kaffa (s. XIV) Y. pestis Conquista de N. América (s. XVIII) - Viruela I Guerra Mundial (s. XX) B. mallei y B. anthracis II Guerra Mundial (s. XX) Y pestis Bioterrorismo 11/S (s. XXI) B. anthracis

9 Introducción Inspiración para libros, películas, series Gen artificial Sistemas de información Secuencias Bases de datos Herramientas de análisis Regenesis The Movie Network Movie central 2008/08 Canada

10 Introducción Clasificación de patógenos de potencial uso en Bioterrorismo. Clasificación del CDC Diseminación Mortalidad Morbilidad Manejo A Fácil Difícil B Media Media C Fácil Potencial Potencial Fácil El CDC dispone de una página web con información online acerca de estos agentes

11 Introducción Clasificación de patógenos de potencial uso en Bioterrorismo Buitrago et al. Enferm Infecc Microbiol Clin 2007;25(3):190-8

12 Introducción La Bioinformática es una disciplina científico-técnica que aborda la adquisición, almacenamiento, proceso, distribución, análisis e interpretación de información biológica mediante tecnologías de la información y las comunicaciones. Herramienta fundamental para la biología molecular: Bases de datos Servidores para análisis de secuencias on-line Software

13 Introducción Bioinformática, Biocomputación, Biología molecular computacional Interfaz entre la biotecnología y la informática Disciplina científica con entidad propia: Congresos, programas de pre y postgrado, revistas, sociedades científicas, convocatorias específicas de proyectos de investigación, departamentos en empresas farmacéuticas, compañías, centros de referencia, white papers... 13

14 Introducción Qué es la genómica?

15 La bioinformática como herramienta general en la lucha contra el bioterrorismo

16 Microbiología forense Análisis forense de los agentes microbiológicos Análisis de la escena del crimen Recogida de muestras Transferencia de las muestras Aislamiento de las muestras e identificación del agente patógeno Trazabilidad del origen del agente Incluye: Epidemiología, microbiología clásica, genómica microbiana, filogenia, bioinformática, ciencias de la computación Yang R. et al 2012 J. Bioterr Biodef S3_007

17 Microbiologia forense Existen diferentes técnicas moleculares dirigidas al diagnóstico e identificación de estos patógenos Muchas de las técnicas más recientes basadas en secuencias PCRs Secuenciación genómica completa (WGS) Análisis de SNPs, MLVA Análisis por espectroscopia de masas Técnicas de alta sensibilidad, alta especificidad y baja o media multiplexación Requieren de soporte bioinformático en su diseño y/o análisis e interpretación

18 Microbiología forense National Bioforensics Analysis Center

19 Bioinformática en microbiología La bioinformática es una herramienta de gran utilidad en microbiología Incremento en la utilización de técnicas moleculares y por tanto de la bioinformática Compartir de información y conocimiento Aplicaciones en desarrollo de bases de datos Análisis de datos Desarrollo de herramientas y sistemas de modelado

20 Bioinformática en microbiología Bases de datos

21 Qué información contienen las bases de datos biológicas? Ácidos nucleicos: Secuencias de ADN, genes, productos génicos (proteínas), mutaciones, motivos, distribución Genómica: genoma, estructura y expresión de genes, mapas genéticos, alteraciones genéticas Secuencias de RNA, estructuras secundarias, estructuras 3D interacciones Proteínas: Secuencias de proteínas, genes correspondientes, estructura secundaria, estructura 3D, funciones, motivos, homología interacción Proteómica: perfil de expresión, proteínas y enfermedades, etc. Ligandos y fármacos (inhibidores, activadores substratos, metabolitos) Otras Rutas metabólicas, etc

22 Bioinformática en microbiología Bases de datos de Nucleótidos Las bases de datos de ácidos nucleicos reciben las secuencias de los laboratorios experimentales y las organizan haciéndolas accesibles a diario a toda la comunidad científica Existen varias BD que intercambian diariamente su contenido Genbank (NCBI) EMBL (EBI) DDBJ (Japón)

23 Bases de datos de nucleótidos Evolución de los contenidos en las bases de datos publicas de secuencias de nucleótidos 23

24 Bioinformática en microbiología Bases de datos de genomas NCBI Genomes

25 Bioinformática en microbiología Bases de datos de genomas Integrated microbial Genomes

26 Bioinformática en microbiología Bases de datos de genomas Genome Information Broker for Microbial Genomes

27 Bioinformática en microbiología Recursos integrados The Comprehensive Microbial Resource Database (CMR)

28 Bioinformática y Bioterrorismo

29 Bioinformática y Bioterrorismo Áreas en los que la colaboración en las bioinformática y la biodefensa pueden colaborar y aportar soluciones: Estudios de diversidad genética microbiana Epidemiología Desarrollo de vacunas Salud pública/salud global Reconstrucciones metabólicas Biología de sistemas Medicina personalizada

30 Bioinformática y Bioterrorismo Retos similares a los sistemas generales de microbiología y los sistemas de información de enfermedades infecciosas Bases de datos Herramientas

31 Bioinformática y Bioterrorismo Retos computacionales Desarrollo de nuevos sistemas de computación de alto rendimiento Retos en el desarrollo de bases de datos: Granularidad de la base de datos (qué debe estar en la base de datos) Utilización de estándares, y vocabularios controlados (en muchos casos extraídos de los existentes para enfermedades infecciosas) Anotación /Curación de las bases de datos (descripción y control de calidad de los datos contenidos) Compartición de datos

32 Bioinformática y Bioterrorismo Retos en el desarrollo de herramientas: Desarrollo y adaptación de ontologías de enfermedades infecciosas (pueden simplificar en el futro el razonamiento y las técnicas de análisis automatizado de los datos) Utilización de herramientas diseñadas para análisis de secuencias (muchas de ellas gratuitas y disponibles online ejem. BLAST, CLUSTAL, Entrez) Desarrollo y validación de herramientas para: Asignación filogenética Herramientas para tipado de cepas Herramientas para la detección de modificaciones por ingeniería genética

33 Bioinformática y Bioterrorismo La bioinformática y las TIC son muy importantes para la elaboración de sistemas de alerta RELAB - España RAS-BICHAT Unión Europea Estos sistemas permiten la monitorización y seguimiento en caso de alerta biológica La Informática Biomédica ha desarrollado sistemas y modelos que permiten detectar la evolución de la expansión de una epidemia

34 Bioinformática y Bioterrorismo

35 Bioinformática y Bioterrorismo Recursos específicos NIAID BRC Fundados en Centros de Bioinformática con fondos del NIAID dedicados al estudio de agentes infecciosos Originalmente enfocados a agentes de clases A-C pero posteriormente ampliados a otros agentes infecciosos Proporcionan datos y herramientas para el estudio de los agentes de interés Acceso a través del Pathogen Portal

36 Bioinformática y Bioterrorismo Recursos específicos Pathogen portal

37 Bioinformática en microbiología Recursos específicos PATRIC

38 Bioinformática y Bioterrorismo Recursos específicos PATRIC Pathosystems Resource Integration Center Destinado a ofrecer información y herramientas de análisis para agentes bacterianos en las categorías A-C del NIAID. Mantenido por el VBI (Virginia Bioinformatics Institute Incluye recursos que anteriormente estaban dispersos. Ej. ERIC (Enteropathogen Resource Integration Center)

39 Bioinformática y Bioterrorismo Recursos específicos ViPR Virus Pathogen Resource Similar a PATRIC pero diseñado para el estudio de virus Contiene bases de datos y herramientas para el análisis de virus Las herramientas están adaptadas para su utilización en las diferentes familias virales

40 Bioinformática y Bioterrorismo Recursos específicos ViPR

41 Bioinformática y Bioterrorismo Recursos específicos También existen recursos para análisis proteómicos centrados en los agentes de interés A-C del NIAID

42 Herramientas Bioinformáticas Herramientas para analizar e interpretar secuencias Recuperación de información de bases de datos y comparación de secuencias por pares BLAST, BLAT Comparación múltiple de secuencias Clustal, Muscle Análisis Filogenético

43 Herramientas Bioinformáticas Secuencias Alineamientos Árboles filogenéticos Mapas Estructuras 43

44 Herramientas Bioinformáticas BLAST Permite hacer búsquedas de secuencias en las bases de datos Identificación de agentes Identificación de mutaciones Se pueden utilizar diferentes aproximaciones Empleado para el diseño y validación de diferentes técnicas

45 Herramientas Bioinformáticas BLAST

46 Michael Crichton & Jurassic Park >DinoDNA "Dinosaur DNA" from Crichton's JURASSIC PARK p. 103 nt GCGTTGCTGGCGTTTTTCCATAGGCTCCGCCCCCCTGACGAGCATCACAAAAATCGACGC GGTGGCGAAACCCGACAGGACTATAAAGATACCAGGCGTTTCCCCCTGGAAGCTCCCTCG TGTTCCGACCCTGCCGCTTACCGGATACCTGTCCGCCTTTCTCCCTTCGGGAAGCGTGGC TGCTCACGCTGTACCTATCTCAGTTCGGTGTAGGTCGTTCGCTCCAAGCTGGGCTGTGTG CCGTTCAGCCCGACCGCTGCGCCTTATCCGGTAACTATCGTCTTGAGTCCAACCCGGTAA AGTAGGACAGGTGCCGGCAGCGCTCTGGGTCATTTTCGGCGAGGACCGCTTTCGCTGGAG ATCGGCCTGTCGCTTGCGGTATTCGGAATCTTGCACGCCCTCGCTCAAGCCTTCGTCACT CCAAACGTTTCGGCGAGAAGCAGGCCATTATCGCCGGCATGGCGGCCGACGCGCTGGGCT GGCGTTCGCGACGCGAGGCTGGATGGCCTTCCCCATTATGATTCTTCTCGCTTCCGGCGG CCCGCGTTGCAGGCCATGCTGTCCAGGCAGGTAGATGACGACCATCAGGGACAGCTTCAA CGGCTCTTACCAGCCTAACTTCGATCACTGGACCGCTGATCGTCACGGCGATTTATGCCG CACATGGACGCGTTGCTGGCGTTTTTCCATAGGCTCCGCCCCCCTGACGAGCATCACAAA CAAGTCAGAGGTGGCGAAACCCGACAGGACTATAAAGATACCAGGCGTTTCCCCCTGGAA GCGCTCTCCTGTTCCGACCCTGCCGCTTACCGGATACCTGTCCGCCTTTCTCCCTTCGGG CTTTCTCAATGCTCACGCTGTAGGTATCTCAGTTCGGTGTAGGTCGTTCGCTCCAAGCTG ACGAACCCCCCGTTCAGCCCGACCGCTGCGCCTTATCCGGTAACTATCGTCTTGAGTCCA ACACGACTTAACGGGTTGGCATGGATTGTAGGCGCCGCCCTATACCTTGTCTGCCTCCCC GCGGTGCATGGAGCCGGGCCACCTCGACCTGAATGGAAGCCGGCGGCACCTCGCTAACGG CCAAGAATTGGAGCCAATCAATTCTTGCGGAGAACTGTGAATGCGCAAACCAACCCTTGG CCATCGCGTCCGCCATCTCCAGCAGCCGCACGCGGCGCATCTCGGGCAGCGTTGGGTCCT 46

47 The lost world MARK WAS HERE NIH 47

48 Herramientas Bioinformáticas BLAST blastn...atcgcct......ggctatt... DNA DATABASE database virtual translation tblastn ATCGGCA tblastx (DNA seq.) 6 Virtual translation products blastx...skgflidg..... CVTHLAGL.... blastp PROTEIN DATABASE IMEKGQLVP (Prot. seq.)

49 Bioinformática en microbiología Búsquedas y BLAST

50 Herramientas Bioinformáticas Alineamiento de secuencias y filogenia Cómo establecer relaciones entre diferentes organismos? Identificación el origen a través de la secuencia Identificación de posibles modificaciones genéticas Diseño de sistemas de detección

51 Herramientas Bioinformáticas Alineamiento de secuencias y filogenia

52 Herramientas Bioinformáticas Alineamiento de secuencias y filogenia Allineamiento múltiple de secuencias Permite localizar regiones conservadas entre tres o mas secuencias Sirve como base para Desarrollo de sistemas detección Ejemplo desarrollo de primeres para PCR Filogenia Herramientas como Clustal o Muscle

53 Herramientas Bioinformáticas Alineamiento de secuencias y filogenia Poner una imagen de alineamiento múltiple

54 Herramientas Bioinformáticas Alineamiento de secuencias y filogenia

55 Filogenia Bioinformática en microbiología Alineamiento de secuencias y filogenia Permite establecer relaciones evolutivas entre los agentes estudiados. Puede ser utilizada para trazar el origen de un determinado agente

56 Herramientas Bioinformáticas Anotación de genes y secuencias

57 Herramientas Bioinformáticas Bioinformática estructural

58 Herramientas Bioinformáticas Bioinformática estructural Numerosas utilidades en campos tales como: Análisis de moléculas Análisis de interacciones Desarrollo de vacunas Y/o fármacos Ejemplo Iniciativa similar al proyecto SETI desarrollada por la Universidad de Stanford, para el plegamiento de proteínas, búsqueda de fármacos..

59 Herramientas Bioinformáticas La era Post-Genómica Genómica Comparativa Proyecto Genoma (DNA Consenso secuencia) Proteómica (proteínas) Genómica Individual (mutaciones, SNPs) Genómica Funcional (mrnas)

60 Herramientas Bioinformáticas Biología de sistemas Visión integradora Análisis multinivel

61 Herramientas Bioinformáticas Biología de sistemas La Biología de sistemas comprende una visión global de los procesos Ejemplos en biodefensa están relacionadas con: Estudios comparativos de patogenicidad Estudios de diseño de vacunas Diseño de fármacos

62 TÉCNICAS ASOCIADAS A LA BIOINFORMÁTICA Microarrays o Micromatrices de material biológico y Ultrasecuenciación

63 Técnicas asociadas a la Bioinformática Técnicas capaces de generar cantidades masivas de datos En el caso de la ultrasecuenciación varios Gb en un único ensayo Técnicas en paralelo relacionadas con la miniaturización

64 Introducción a los microarrays Técnica masiva para el análisis molecular en paralelo Dispositivos miniaturizados Inmovilizan material biológico para su análisis

65 Introducción a los microarrays 70 s: Inmovilización de ácidos nucleicos en filtros y ensayos de hibridación (Ed Southern). Revelado con P32 (100 micras). Microchips electrónicos 90 s Primeros trabajos de inmovilización sobre vidrio realizados por E. Southern 90 s Tecnología GeneChip fue desarrollada en Affymax por: El proyecto original - construcción de péptidos sobre chips desembocó en la construcción de secuencias de ADN sobre chips La aplicación práctica: Affymetrix, año Sustrato de cristal, revelado con fluorescencia (10 micras)

66 Introducción Análisis Bioinformático esencial para el desarrollo de estos ensayos Etapas bioinformáticas cruciales: Diseño y selección de sondas Anotación de muestras y procesos Recogida y gestión de las imágenes desde el escáner Análisis de los datos proporcionados por las imágenes

67 Introducción a los microarrays Campo de aplicación Investigación básica Detección de respuesta Caracterización de procesos biológicos Diagnóstico Identificación de agentes infecciosos (Wang et al. 2002, Ksiazek et al. 2003) Genotipado Detección de respuesta inmune (protein arrays) (McBeath et al, 2000) Caracterización de tumores (tissue arrays) Enfoque Análisis de secuencias - Genómica Análisis de la expresión génica Transcriptómica Análisis de proteínas - Proteómica

68 Introducción a los microarrays Microarrays de Proteínas Evolución de los chips de DNA Aproximación de alto rendimiento para la expresión génica y las interacciones receptor-ligando Constituyen el siguiente paso en el análisis de la expresión de genes Son complementarios con los DNA chips para expresión

69 Introducción a los microarrays Microarrays de Proteínas Desarrollo de ensayos ELISA para la identificación de distintos microorganismos Utilización en el estudio de la respuesta inmune y desarrollo de vacunas

70 Ejemplo de Microarray en estudios de Biodefensa Sistema basado en micromatrices para la detección de patógenos de clase A y B del CDC Ensayos basados en hibridación para la detección de: B. anthracis (A) B. melitensis melitensis, B. melitensis abortus, B. canis, B. ovis, B. suis (B) B. mallei, B. pseudomallei, B. thailandensis (B) C. burnetii (B) F. tularensis tularensis, F. tularensis novicida, F. tularensis holarctica, F. tularensis mediasiatica, F. philomiragia (A) Orthopoxvirus (variola, cowpox, monkeypox) (A) Y. pestis (A) Ensayos enzimáticos sobre la micromatriz

71 Ejemplo de Microarray en estudios de Biodefensa Detección de patógenos de clase A y B Ensayos basados en hibridación (ejemplo de hibridaciones) Detección de B. melitensis melitensis Detección de B. anthracis

72 Ejemplo de Microarray en estudios de Biodefensa Detección de patógenos de clase A y B Ensayos basados en hibridación Estudios de sensibilidad 200pg / copias 20pg / copias 2pg / 780 copias 200fg / 78 copias Sensibilidad para la detección de Y. pestis y detección del gen pla

73 Ejemplo de Microarray en estudios de Biodefensa Detección de patógenos de clase A y B Ensayos basados en hibridación. Validación con aguas contaminadas

74 Conclusiones (I) La bioinformática es una herramienta crucial en la microbiología actual. La bioinformática proporciona recursos y herramientas para abordar los problemas relacionados con la amenaza bioterrorista. Los microarrays proporcionan sistemas rápidos para la detección simultánea de una gran cantidad de agentes. La ultrasecuenciación (NGS) es una tecnología que puede ser aplicada pero que tiene unos requerimientos bioinformáticos MUY elevados.

75 Dónde está la bioinformática?

76 Bioinformática, información, acceso y riesgos

77 Dudas, preguntas, comentarios?

78 FIN Laboratorio de Bioinformática y Biochips Área de Bioinformática y Salud Pública Instituto de Salud Carlos III Ctra. Majadahonda a Pozuelo Km. 2 Majadahonda, Madrid SPAIN biotic@isciii.es Web: Tel.: Fax: Gracias!!!