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Introducción a la Bioinformática

Dr. Eduardo A. RODRÍGUEZ TELLO

CINVESTAV-Tamaulipas

16 de mayo del 2013

Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la Bioinformática 16 de mayo del 2013 1 / 37

1 BioinformáticaIntroducción¿Qué es bioinformática?Un poco de historiaDatos biológicosObjetivosÁmbitoAplicaciones prácticasÁreas de investigaciónLimitantes


Bioinformática Introducción




Introducción

Las herramientas cuantitativas son indispensables en la biologíamoderna

Actualmente la mayoría de la investigación biológica implica laaplicación de algún tipo de matemáticas, estadística, o deherramientas computacionales

Esto con el fin de ayudar a sintetizar los datos registrados eintegrar diversos tipos de información en el proceso de respondera una pregunta biológica



Introducción

Por ejemplo, la enumeración y la estadística son necesarias paraevaluar los experimentos cotidianos de laboratorio, como contarcolonias de bacterias



Introducción

Un ejemplo clásico en la historia de la genética es el de GregorMendel (Austria, 1866) y Thomas Morgan (USA, 1910)

Quienes al contar variaciones genéticas de plantas y moscas dela fruta, fueron capaces de descubrir los principios de la herenciagenética



Introducción

Un uso más elaborado de instrumentos cuantitativos puedeimplicar el empleo de cálculo diferencial, por ejemplo paraestablecer un modelo cinético de la catálisis enzimática

O el uso de un gran número de ecuaciones diferenciales parcialesno lineales para modelar el flujo sanguíneo cardíaco



Introducción

Evidente las herramientas matemáticas y computacionales hoy endía se han convertido en parte integral de la investigaciónbiológica

Sin embargo, ninguno de los ejemplos mencionados del uso deherramientas cuantitativas en biología pueden ser consideradoscomo parte de la bioinformática

A continuación describiremos a detalle qué es la bioinformática


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



¿Qué es bioinformática?

Estudia el desarrollo de métodos computacionales y técnicasestadísticas para resolver problemas prácticos y teóricosderivados del almacenamiento, extracción, manipulación ydistribución de información relacionada con datos biológicos(principalmente de macromoléculas)


Bioinformática Un poco de historia




Un poco de historia

El desarrollo de la bioinformática es el resultado de los avancestanto en biología molecular como en ciencias computacionales alo largo de los últimos 30-40 años

Haremos un resumen de los eventos que han tenido mayorimpacto en el desarrollo de la bioinformática



Un poco de historia

Tiene su origen en los años 1950’s cuando se logró comprenderla estructura tridimensional del ADN, la molécula responsable detransmitir la herencia genética

Mayo de 1952, Rosalind Franklin obtiene la famosa fotografía 51,una imagen del ADN obtenida mediante difracción de rayos XAbril de 1953, James D. Watson y Francis Crick reportan laestructura tridimensional del ADN (modelo de doble hélice)

http://en.wikipedia.org/wiki/Rosalind_Franklin


http://en.wikipedia.org/wiki/Rosalind_Franklin


Un poco de historia

Probablemente el primer proyecto Bioinformática fue llevado acabo por Margaret Dayhoff en 1965, quien desarrolló la primeraBD de secuencias de proteínas

• Imágenes tomadas de Wikipedia



Un poco de historia

Al inicio de los años 1970, el Laboratorio Nacional de Brookhaven(USA) estableció el Banco de Datos de Proteínas para almacenarestructuras de proteínas en 3D (12 al inicio, 90,611 al día de hoy)



Un poco de historia

El primer algoritmo para alineamiento de secuencias fuedesarrollado por Needleman y Wunsch en 1970

Este fue un paso fundamental en el desarrollo del campo de labioinformática, que abrió el camino para las comparaciones desecuencias y búsquedas en BD de rutina realizadas por losbiólogos modernos

El primer algoritmo para predicción de estructuras de proteínasfue desarrollado por Chou y Fasman en 1974

Los años 1980 vieron el establecimiento del GenBank y eldesarrollo de rápidos algoritmos para búsquedas en BD comoFASTA de William Pearson y BLAST de Stephen Altschul et al.



Un poco de historia

El inicio del proyecto del genoma humano a finales de los años1980 propició un rápido desarrollo de la bioinformática

Por su parte el uso masivo de Internet en los años 1990 hicieronposible el acceso inmediato, intercambio y diseminación de datosbiológicos

En términos generales la bioinformática ganó prominencia comouna disciplina debido al avance en los estudios sobre el genomaque produjeron grandes cantidades de datos biológicos



Un poco de historia

La explosión de información sobre secuencias genómicasgeneraron una demanda de herramientas computacionaleseficientes para manejar y analizar los datos

El desarrollo de estas herramientas dependió del conocimientogenerado en disciplinas tan diversas como las matemáticas, laestadística, las ciencias computacionales, las tecnologías de lainformación y la biología molecular

La mezcla de estas disciplinas creó un campo orientado a lainformación en la biología, el cual es conocido comobioinformática

A continuación describiremos a detalle qué es la bioinformática


Bioinformática Datos biológicos




Datos biológicos

ProteínasSecuencias de aminoácidos cada uno representado por una de 20posibles letras: A, R, N, D, ...Ejemplo: InsulinaMHHHHHHAAGIPMNNPAIKRIGNHITKSPEDKREYRGLELANGIKVLLISDPTTDKSSAALDVHIG...



Datos biológicos

GenomasSecuencias de ADN formadas por las letras A, T, C, GCada letra representa la base nitrogenada de un nucleótido de lasecuencia (Adenina, Timina, Citosina, Guanina)Ejemplo: Bacteria E. ColiGATTCGAACTCGGCCCACGACTTAGAAGTTCTAGAACGACATTTTAAGTCAACAACTTACCGCGCCATCTCT...



Datos biológicos

Las secuencias de las proteínas contienen en promedio entre 100y 5000 aminoácidos

Las secuencias de ADN son mucho más grandes que las deproteínas

Por ejemplo, el ADN de la bacteria E. Coli tiene 4.7 millones debases y el del humano 3.3 billones de bases



Datos biológicos

Una gran cantidad de información, cada día aumenta más


Bioinformática Objetivos



Bioinformática Objetivos

Objetivos

El objetivo principal de la bioinformática es lograr entender mejorlas células y la manera en que funcionan a nivel molecular

Esto es realizado mediante el análisis de secuencias molecularesen bruto y datos estructurales

De esta manera la investigación en bioinformática puede generarnuevas ideas y ofrecer una perspectiva global de las funcionescélulares


Bioinformática Ámbito




Ámbito

La bioinformática consta de dos subcampos:El desarrollo de herramientas computacionales y BDLa aplicación de estas herramientas y BD en la generación deconocimiento biológico para comprender mejor los sistemas vivos

Estos dos subcampos son complementarios entre sí



Ámbito


Bioinformática Aplicaciones prácticas



Bioinformática Aplicaciones prácticas

Aplicaciones prácticas

La bioinformática se ha convertido en algo esencial para lainvestigación en genómica y biología molecular

Además también está teniendo un gran impacto en muchas áreasde la biotecnología y de las ciencias biomédicas

Algunas aplicacionesDiseño de fármacos basados en conocimientoAnálisis forenses de ADNBiotecnología agrícola


Bioinformática Áreas de investigación



Bioinformática Áreas de investigación

Áreas de investigación

Algunas de las principales áreas de investigación enbioinformática incluyen:

Alineamiento de secuenciasPredicción de genesPredicción de la estructura de proteínasPredicción de la expresión génicaInteracciones proteína-proteínaModelado de la evolución


Bioinformática Limitantes




Limitantes

Hemos visto el gran potencial de la bioinformática, pero estambién importante reconocer sus limitaciones para evitarsobreestimar esta disciplina

La bioinformática y la biología experimental son actividadesindependientes, pero complementarias

La bioinformática depende de la ciencia experimental paraproducir datos primarios para el análisis.



Limitantes

A a su vez la bioinformática, proporciona la interpretación de losdatos experimentales e importantes pistas para seguir lainvestigación experimental

Las predicciones hechas en bioinformática no son pruebasformales de cualquier concepto

No sustituyen a los métodos tradicionales de investigaciónexperimental que prueban en realidad las hipótesis

Además, la calidad de las predicciones de bioinformática dependede la calidad de los datos y la sofisticación de los algoritmosutilizados



Introducción a la Bioinformática

Dr. Eduardo A. RODRÍGUEZ TELLO

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16 de mayo del 2013


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