Introducción a la Bioinformática
Dr. Eduardo A. RODRÍGUEZTELLO
CINVESTAV-Tamaulipas
1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática Introducción 1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática 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
Bioinformática Introducción
Introducción
Por ejemplo, la enumeración y la estadística son necesarias para evaluar los experimentos cotidianos de laboratorio, como contar colonias de bacterias
Bioinformática 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
Bioinformática 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
Bioinformática 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
Bioinformática ¿Qué es bioinformática? 1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática ¿Qué es bioinformática?
¿Qué es bioinformática?
La bioinformática es un área de investigación interdisciplinaria: matemática aplicada, estadística, ciencias computacionales, inteligencia artificial, química y bioquímica
Bioinformática ¿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)
Bioinformática Un poco de historia 1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática 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 30-40 años
Haremos un resumen de los eventos que han tenido mayor impacto en el desarrollo de la bioinformática
Bioinformática 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)
http://en.wikipedia.org/wiki/Rosalind_Franklin
Bioinformática Un poco de historia
Un poco de historia
Probablemente el primer proyecto Bioinformática fue llevado a cabo por Margaret Dayhoff en 1965, quien desarrolló la primera BD de secuencias de proteínas
Bioinformática 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)
Bioinformática 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
Bioinformática 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
Bioinformática 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 Datos biológicos 1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática 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...
Bioinformática 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...
Bioinformática 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
Bioinformática Datos biológicos
Datos biológicos
Una gran cantidad de información, cada día aumenta más
Bioinformática Objetivos 1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática 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
Bioinformática Ámbito 1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática 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
Bioinformática Ámbito
Bioinformática Aplicaciones prácticas 1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática 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
Bioinformática Áreas de investigación 1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática 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
Bioinformática Limitantes 1 Bioinformática Introducción ¿Qué es bioinformática? Un poco de historia Datos biológicos Objetivos Ámbito Aplicaciones prácticas Áreas de investigación Limitantes
Bioinformática 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.
Bioinformática 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
Bioinformática Limitantes
Introducción a la Bioinformática
Dr. Eduardo A. RODRÍGUEZTELLO
http://www.tamps.cinvestav.mx/~ertello [email protected]
