Introducción a la Bioinformática

Transcripción

1 Introducción a la Dr. Eduardo A. RODRÍGUEZ TELLO CINVESTAV-Tamaulipas 16 de mayo del 2013 Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

2 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

3 Introducción 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

4 Introducción Introducción Las herramientas cuantitativas son indispensables en la biología moderna Actualmente la mayoría de la investigación biológica implica la aplicación de algún tipo de matemáticas, estadística, o de herramientas computacionales Esto con el fin de ayudar a sintetizar los datos registrados e integrar diversos tipos de información en el proceso de responder a una pregunta biológica Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

5 Introducción Introducción Por ejemplo, la enumeración y la estadística son necesarias para evaluar los experimentos cotidianos de laboratorio, como contar colonias de bacterias Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

6 Introducción Introducción Un ejemplo clásico en la historia de la genética es el de Gregor Mendel (Austria, 1866) y Thomas Morgan (USA, 1910) Quienes al contar variaciones genéticas de plantas y moscas de la fruta, fueron capaces de descubrir los principios de la herencia genética Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

7 Introducción Introducción Un uso más elaborado de instrumentos cuantitativos puede implicar el empleo de cálculo diferencial, por ejemplo para establecer un modelo cinético de la catálisis enzimática O el uso de un gran número de ecuaciones diferenciales parciales no lineales para modelar el flujo sanguíneo cardíaco Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

8 Introducción Introducción Evidente las herramientas matemáticas y computacionales hoy en día se han convertido en parte integral de la investigación biológica Sin embargo, ninguno de los ejemplos mencionados del uso de herramientas cuantitativas en biología pueden ser considerados como parte de la bioinformática A continuación describiremos a detalle qué es la bioinformática Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

9 Qué es bioinformática? 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

10 Qué es bioinformática? Qué es bioinformática? La bioinformática es un área de investigación interdisciplinaria: matemática aplicada, estadística, ciencias computacionales, inteligencia artificial, química y bioquímica Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

11 Qué es bioinformática? Qué es bioinformática? Estudia el desarrollo de métodos computacionales y técnicas estadísticas para resolver problemas prácticos y teóricos derivados del almacenamiento, extracción, manipulación y distribución de información relacionada con datos biológicos (principalmente de macromoléculas) Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

12 Un poco de historia 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

13 Un poco de historia Un poco de historia El desarrollo de la bioinformática es el resultado de los avances tanto en biología molecular como en ciencias computacionales a lo largo de los últimos años Haremos un resumen de los eventos que han tenido mayor impacto en el desarrollo de la bioinformática Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

14 Un poco de historia Un poco de historia Tiene su origen en los años 1950 s cuando se logró comprender la estructura tridimensional del ADN, la molécula responsable de transmitir la herencia genética Mayo de 1952, Rosalind Franklin obtiene la famosa fotografía 51, una imagen del ADN obtenida mediante difracción de rayos X Abril de 1953, James D. Watson y Francis Crick reportan la estructura tridimensional del ADN (modelo de doble hélice) Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

15 Un poco de historia Un poco de historia Probablemente el primer proyecto fue llevado a cabo por Margaret Dayhoff en 1965, quien desarrolló la primera BD de secuencias de proteínas Imágenes tomadas de Wikipedia Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

16 Un poco de historia Un poco de historia Al inicio de los años 1970, el Laboratorio Nacional de Brookhaven (USA) estableció el Banco de Datos de Proteínas para almacenar estructuras de proteínas en 3D (12 al inicio, 90,611 al día de hoy) Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

17 Un poco de historia Un poco de historia El primer algoritmo para alineamiento de secuencias fue desarrollado por Needleman y Wunsch en 1970 Este fue un paso fundamental en el desarrollo del campo de la bioinformática, que abrió el camino para las comparaciones de secuencias y búsquedas en BD de rutina realizadas por los biólogos modernos El primer algoritmo para predicción de estructuras de proteínas fue desarrollado por Chou y Fasman en 1974 Los años 1980 vieron el establecimiento del GenBank y el desarrollo de rápidos algoritmos para búsquedas en BD como FASTA de William Pearson y BLAST de Stephen Altschul et al. Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

18 Un poco de historia Un poco de historia El inicio del proyecto del genoma humano a finales de los años 1980 propició un rápido desarrollo de la bioinformática Por su parte el uso masivo de Internet en los años 1990 hicieron posible el acceso inmediato, intercambio y diseminación de datos biológicos En términos generales la bioinformática ganó prominencia como una disciplina debido al avance en los estudios sobre el genoma que produjeron grandes cantidades de datos biológicos Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

19 Un poco de historia Un poco de historia La explosión de información sobre secuencias genómicas generaron una demanda de herramientas computacionales eficientes para manejar y analizar los datos El desarrollo de estas herramientas dependió del conocimiento generado en disciplinas tan diversas como las matemáticas, la estadística, las ciencias computacionales, las tecnologías de la información y la biología molecular La mezcla de estas disciplinas creó un campo orientado a la información en la biología, el cual es conocido como bioinformática A continuación describiremos a detalle qué es la bioinformática Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

20 Datos biológicos 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

21 Datos biológicos Datos biológicos Proteínas Secuencias de aminoácidos cada uno representado por una de 20 posibles letras: A, R, N, D,... Ejemplo: Insulina MHHHHHHAAGIPMNNPAIKRIGNHITKSPEDKREYRGLE LANGIKVLLISDPTTDKSSAALDVHIG... Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

22 Datos biológicos Datos biológicos Genomas Secuencias de ADN formadas por las letras A, T, C, G Cada letra representa la base nitrogenada de un nucleótido de la secuencia (Adenina, Timina, Citosina, Guanina) Ejemplo: Bacteria E. Coli GATTCGAACTCGGCCCACGACTTAGAAGTTCTAGAA CGACATTTTAAGTCAACAACTTACCGCGCCATCTCT... Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

23 Datos biológicos Datos biológicos Las secuencias de las proteínas contienen en promedio entre 100 y 5000 aminoácidos Las secuencias de ADN son mucho más grandes que las de proteínas Por ejemplo, el ADN de la bacteria E. Coli tiene 4.7 millones de bases y el del humano 3.3 billones de bases Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

24 Datos biológicos Datos biológicos Una gran cantidad de información, cada día aumenta más Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

25 Objetivos 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

26 Objetivos Objetivos El objetivo principal de la bioinformática es lograr entender mejor las células y la manera en que funcionan a nivel molecular Esto es realizado mediante el análisis de secuencias moleculares en bruto y datos estructurales De esta manera la investigación en bioinformática puede generar nuevas ideas y ofrecer una perspectiva global de las funciones célulares Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

27 Ámbito 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

28 Ámbito Ámbito La bioinformática consta de dos subcampos: El desarrollo de herramientas computacionales y BD La aplicación de estas herramientas y BD en la generación de conocimiento biológico para comprender mejor los sistemas vivos Estos dos subcampos son complementarios entre sí Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

29 Ámbito Ámbito Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

30 Aplicaciones prácticas 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

31 Aplicaciones prácticas Aplicaciones prácticas La bioinformática se ha convertido en algo esencial para la investigación en genómica y biología molecular Además también está teniendo un gran impacto en muchas áreas de la biotecnología y de las ciencias biomédicas Algunas aplicaciones Diseño de fármacos basados en conocimiento Análisis forenses de ADN Biotecnología agrícola Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

32 Áreas de investigación 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

33 Áreas de investigación Áreas de investigación Algunas de las principales áreas de investigación en bioinformática incluyen: Alineamiento de secuencias Predicción de genes Predicción de la estructura de proteínas Predicción de la expresión génica Interacciones proteína-proteína Modelado de la evolución Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

34 Limitantes 1 Introducción Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

35 Limitantes Limitantes Hemos visto el gran potencial de la bioinformática, pero es también importante reconocer sus limitaciones para evitar sobreestimar esta disciplina La bioinformática y la biología experimental son actividades independientes, pero complementarias La bioinformática depende de la ciencia experimental para producir datos primarios para el análisis. Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

36 Limitantes Limitantes A a su vez la bioinformática, proporciona la interpretación de los datos experimentales e importantes pistas para seguir la investigación experimental Las predicciones hechas en bioinformática no son pruebas formales de cualquier concepto No sustituyen a los métodos tradicionales de investigación experimental que prueban en realidad las hipótesis Además, la calidad de las predicciones de bioinformática depende de la calidad de los datos y la sofisticación de los algoritmos utilizados Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37

37 Limitantes Introducción a la Dr. Eduardo A. RODRÍGUEZ TELLO ertello@tamps.cinvestav.mx 16 de mayo del 2013 Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la 16 de mayo del / 37