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The Wayback Machine - https://web.archive.org/web/20010505170418/http://www.c… IX Coloquio de Automatización de Bibliotecas, 24-26 de noviembre de 1999 Bibliotecas digitales y ambientes virtuales para la enseñanza de la biología molecular Miguel Ángel García Ruiz School of Cognitive and Computing Sciences (COGS) University of Sussex, Brighton, BN1 9QH, England Tel.: +44(1273)678524 Fax: +44(1273)671320 Correo electrónico: miguelga@cogs.susx.ac.uk Resumen En los últimos años, importantes avances se han realizado en la grabación, recuperación y despliegue de información técnica y científica en y desde bibliotecas digitales, en especial información relacionada con el dominio de la biología molecular. Estructuras gráficas tridimensionales de moléculas, tales como aminoácidos y proteínas, pueden ser almacenadas en bibliotecas digitales. Las estructuras son almacenadas en archivos de texto ASCII utilizando formatos especiales, tal como el formato Protein Data Bank (PDB). Ciertos estudios indican que es posible mejorar la interacción y el despliegue de información gráfica de las moléculas (obtenida de las bibliotecas digitales) utilizando técnicas de ambientes virtuales (VE), también conocidas como realidad virtual. El Lenguaje de Modelado para Realidad Virtual (VRML, por sus siglas en inglés) es un lenguaje descriptivo estandarizado para representar e interactuar con objetos gráficos tridimensionales (en este caso moléculas virtuales) a través de visualizadores de páginas Web, tales como Netscape o Explorer y otros programas especiales. IX Coloquio de Automatización de Bibliotecas, 24-26 de ... https://web.archive.org/web/20010505170418/http://ww... 1 of 7 2021-08-04, 15:51 Además, utilizando dispositivos de entrada/salida como apuntadores para 3D, "guantes de datos" y despliegue en estéreo, es posible manipular y analizar moléculas virtuales, con alto nivel de detalle y en una forma más intuitiva. Actualmente, las estructuras moleculares pueden ser fácilmente recuperadas desde las bibliotecas digitales y desplegadas en computadoras locales, con propósitos educativos. Los estudiantes pueden aprender propiedades químicas y físicas de las moléculas utilizando archivos VRML y visualizadores de páginas Web y programas tutoriales. Así, la aplicación de bibliotecas digitales para la enseñanza de la biología molecular será analizada en esta ponencia. Introducción. El concepto de biblioteca digital, también llamada biblioteca electrónica (Fox et al, 1995), puede ser definido como una colección organizada de información digital multimedios (documentos electrónicos, sonido y video digital e imágenes), y que puede estar almacenada en servidores de redes y/o CD-ROMs. Además, según Fox et al, las bibliotecas digitales pueden coexistir con las bibliotecas convencionales, sin necesidad de sustituir a estas últimas. En si, las bibliotecas digitales funcionan como repositorios de información electrónica y servicios de consulta y distribución de dicha información. La consulta puede ser realizada dentro de las bibliotecas convencionales o en línea, vía Internet y redes locales desde los salones de clase, centros de cómputo y desde las casas. En los últimos años se han realizado importantes avances en el almacenamiento, distribución y despliegue de información. La capacidad de los discos duros y el ancho de banda y la eficiencia de las redes de á rea local y ancha han tenido grandes mejoras, sin dejar de mencionar la extensa capacidad que ofrece la nueva tecnología del DVD (Disco Versátil Digital). Los DVDs permiten incrementar hasta en veintiséis veces el almacenamiento de información multimedios, utilizando el mismo tamaño de los CD-ROMs. Esto ha permitido establecer y consolidar las bibliotecas digitales. Una de las principales aplicaciones de las bibliotecas digitales es la de almacenar y proporcionar información técnica y científica especializada. Tal es el caso de información referente a la biología molecular, la cual estudia la estructura química y física de moléculas basadas en compuestos de carbono (también conocidas como moléculas orgánicas) encontradas en los seres vivos (Malacinski, 1993). Según las palabras del Dr. Vannevar Bush mencionadas en su articulo "As We May Think", publicado hace más de cincuenta años (Bush, 1945), é l tuvo la visión del uso de bibliotecas digitales y equipo de cómputo (a lo cual le llamó memex) para el almacenamiento y recuperación de información técnica: "El químico, teniendo dificultad con la síntesis de un compuesto orgánico, tiene en memex toda la literatura técnica ante é l en su laboratorio, la cual utiliza para analizar analogías de compuestos y sus comportamientos físicos y químicos" (p. 108). Dentro del dominio de la biología molecular se han desarrollado bancos de datos con información referente a la estructura de compuestos orgánicos, tales como aminoácidos y proteínas, en donde además es posible obtener información en multimedios de reacciones químicas. Todo este compendio de información es IX Coloquio de Automatización de Bibliotecas, 24-26 de ... https://web.archive.org/web/20010505170418/http://ww... 2 of 7 2021-08-04, 15:51 fácilmente accesible ví a Internet (Brickmann y Vollhardt, 1995; Murray-Rust et al, 1997). Mas aún, esta información ha sido almacenada en CD-ROMs, los cuales permiten mayor transportabilidad y facilidad de acceso a la información molecular. El formato de archivo Protein Data Bank (PDB). La obtención de información referente a la estructura de moléculas orgánicas no es tarea fácil, ya que, por ejemplo, ciertas moléculas de proteínas poseen miles de á tomos. Para posteriores análisis, es necesario identificar la posición de cada á tomo en el espacio tridimensional (coordenadas cartesianas en X, Y y Z), el elemento químico al que pertenece dicho átomo, y otras características. Estos valores pueden ser obtenidos siguiendo técnicas convencionales de laboratorio, como la cristalografí a con rayos X, y además siguiendo cálculos matemáticos de química cuántica. Los valores obtenidos pueden ser almacenados en un archivo de texto ASCII de acuerdo al formato estándar Protein Data Bank (PDB). El formato PDB fue creado en 1971 y ha sido utilizado y modificado por el Laboratorio Brookhaven, perteneciente al NIH (organización de los Institutos Nacionales de la Salud, por sus siglas en inglés) de los Estados Unidos (Bernstein et al, 1977). Actualmente, es posible reunir una gran cantidad de archivos en formato PDB, agruparlos por categorías, y de esta forma crear bancos digitales de moléculas. Estos bancos pueden ser almacenados en servidores de redes, ya sea en discos duros, CD- ROMs o DVDs. La Tabla 1 muestra un fragmento de un archivo en formato PDB, correspondiente a una molécula de Alanina (un aminoácido básico). Cada línea que comienza con la palabra ATOM establece las coordenadas para cada á tomo. Las columnas indican características propias de cada átomo, como el elemento al que pertenece, las coordenadas cartesianas, y otros valores. ATOM 1 N ALA 1 0.039 -0.028 0.000 1.00 0.00 ATOM 2 CA ALA 1 1.499 -0.043 0.000 1.00 0.00 ATOM 3 C ALA 1 2.055 1.361 0.000 1.00 0.00 Tabla 1. Fragmento de un archivo en PDB del aminoácido Alanina. Definición de ambientes virtuales. Las técnicas de ambientes virtuales, además conocidas como realidad virtual, han sido definidas por Kalawsky(1993) como un sistema donde una computadora genera un ambiente gráfico en tres dimensiones llamado mundo virtual, donde el usuario hace interacción con los objetos gráficos que residen en él, y al hacer esto, el usuario percibe una sensación de presencia dentro del mundo virtual, llamada inmersión. Para hacer esto posible, el usuario debe utilizar dispositivos de entrada/salida especiales. En la Figura 1 se muestra a un estudiante utilizando un sistema de ambientes virtuales, el cual utiliza un "guante de datos", lentes para visión en estéreo, y una computadora personal (o estación de trabajo) con poder de despliegue gráfico IX Coloquiode Automatización de Bibliotecas, 24-26 de ... https://web.archive.org/web/20010505170418/http://ww... 3 of 7 2021-08-04, 15:51 considerable. La pantalla muestra un ejemplo de una proteína que reside en un archivo VRML. Los archivos VRML definen en sí el mundo virtual y los objetos gráficos que contiene éste. Estos archivos pueden desplegarse utilizando plug-ins especiales para visualizadores de páginas Web como Netscape y Explorer. Uno de los plug-ins más populares es Cosmo Player, de la empresa Platinum Software. Sin embargo, los archivos VRML pueden ser vistos prescindiendo de los dispositivos especiales para realidad virtual; simplemente se tiene que contar con una computadora personal con razonable poder de despliegue gráfico, un visualizador de páginas Web y el plug-in especial para despliegue de archivos VRML. Los archivos VRML pueden ser creados a partir de archivos en formato PDB, utilizando ciertos programas convertidores especiales. Estos programas obtienen los valores de la estructura molecular del archivo PDB y generan el código de la estructura tridimensional en formato VRML. Esto se realiza también automáticamente por medio de plug-ins especiales instalados en visualizadores de páginas Web. Figura 1. Sistema de ambientes virtuales para visualizar archivos en formato VRML. (Foto: Cortesía del Laboratorio de Ambientes Virtuales, Universidad de Sussex.) Moléculas virtuales en la enseñanza de la biología molecular Con las técnicas de ambientes virtuales, los estudiantes pueden apreciar características abstractas de las moléculas, como lo es la visualización de estructuras tridimensionales. Además, la interacción se realiza utilizando dispositivos que permiten un control más preciso de la información en 3D, tales como los "guantes de datos" y apuntadores para 3D (García Ruiz, 1998). Hasta ahora se han utilizado solamente visualizadores de páginas Web y computadoras PC estándares con apuntadores convencionales (ratones) para enseñar biología molecular utilizando archivos VRML. Según análisis realizados por Youngblut(1998), los ambientes virtuales parecen facilitar la asimilación de conceptos científicos abstractos, y además los estudiantes pueden retenerlos en su memoria de largo plazo. Además, Youngblut comenta que los dispositivos especiales para ambientes virtuales serán cada vez más utilizados en las escuelas, principalmente debido a que los equipos son cada vez menos costosos, y más fáciles de instalar, utilizar y mantener. Es importante mencionar que en ciertas circunstancias es preferible utilizar representaciones planas (en dos dimensiones) de la información química, tales como fórmulas, símbolos de reacciones y diagramas a seguir en los experimentos de laboratorio. IX Coloquio de Automatización de Bibliotecas, 24-26 de ... https://web.archive.org/web/20010505170418/http://ww... 4 of 7 2021-08-04, 15:51 Algunas de las ventajas de usar archivos VRML son que los estudiantes pueden apreciar con gran nivel de detalle y desde cualquier ángulo la composición molecular; además, ellos pueden apreciar características físicas y químicas utilizando metáforas visuales implícitas en el archivo VRML. Por ejemplo, los átomos de oxígeno (un elemento altamente reactivo) se pueden mostrar en color rojo. Además, es posible transmitir vía Internet estructuras moleculares muy grandes en archivos relativamente pequeños (Brickmann y Vollhardt, 1995). Las bibliotecas digitales de moléculas virtuales han permitido a los estudiantes tener fácil acceso a información molecular organizada y automatizada (ver Figura 2). Esta información ha sido también utilizada para desarrollar programas tutoriales y de modelado para la enseñanza de la biología molecular (Ferrin et al, 1992; Garcia Ruiz, en prensa). Figura 2. Almacenamiento, transmisión y despliegue de estructuras moleculares. Principales beneficiarios En la actualidad, investigadores y profesores de biología molecular y áreas afines en diversas universidades del mundo utilizan archivos en formato PDB y VRML para el análisis y enseñanza de moléculas orgánicas (Brickmann, J., y Volhardt, H., 1995). Hasta la fecha no han sido reportados sondeos o proyectos de investigación en universidades e instituciones de enseñanza en México que indiquen el uso de bibliotecas digitales y ambientes virtuales para la enseñanza de la biología molecular, lo cual esto se sugiere para un trabajo de investigación a futuro. Además, los beneficiarios de las bibliotecas digitales y ambientes virtuales moleculares pueden ser los estudiantes de química, biología y áreas afines, de los niveles superior en adelante. Es posible adaptar y/o crear el material gráfico y textual de las páginas Web y archivos VRML de acuerdo a las necesidades de cada nivel, y a los requerimientos curriculares de las materias, y establecer bibliotecas digitales para este fin. Algunas sugerencias para establecer la infraestructura de una biblioteca digital Para implementar satisfactoriamente una biblioteca digital se sugiere, entre otras cosas, planificar y analizar cuidadosamente la información que residirá en la biblioteca digital, y el equipo de cómputo necesario. Esto podría ser realizado por un grupo de trabajo compuesto por profesores de química y biología molecular, bibliotecarios y técnicos en computación. IX Coloquio de Automatización de Bibliotecas, 24-26 de ... https://web.archive.org/web/20010505170418/http://ww... 5 of 7 2021-08-04, 15:51 Además, según indican Theng et al (1999), es importante poner énfasis en el diseño de las interfaces gráficas de usuario (G.U.I., por sus siglas en inglés). Esto incluye el diseño de páginas Web y programas que los usuarios utilizarán par la consulta de información, por ejemplo visualizadores de archivos VRML, entre otros. Es necesario además, que los usuarios de estas bibliotecas digitales necesiten contar con computadoras que tengan tarjetas de video con razonable poder de despliegue y algunos dispositivos para realidad virtual, como lo son apuntadores en 3D y lentes especiales para visualización en estéreo. El sistema de cómputo para ambientes virtuales puede formar parte de los servicios que ofrezca una biblioteca convencional. Es posible utilizar casi de inmediato la abundante información referente a archivos PDB y VRML ya existente en diversos sitios Web, en muchos casos sin costo alguno. El generar los archivos VRML puede llevar tiempo y se necesitaría equipo y programas especiales, lo cual podría llevarse a cabo a mediano y largo plazo. A continuación se muestra una lista parcial de sitios Web que funcionan como bancos digitales de moléculas. En la mayoría de éstos el acceso a la información molecular en formato PDB y VRML es gratuito. http://www.webmolecules.com http://www.imb-jena.de/IMAGE_VRML.html http://www.okanagan.bc.ca/chem/molecule/molecule.html http://chemcomm.clic.ac.uk/VRML/ http://bioinfo.mbb.yale.edu/MolMovDB/ http://www.ch.ic.ac.uk/ http://molbio.info.nih.gov/cgi-bin/pdb http://cmm.info.nih.gov/modeling/databases.html http://www.rcsb.org/pdb/ La tecnología de bibliotecas digitales y ambientes virtuales puede ser adaptable a cualquier área del conocimiento, ya sean ciencias sociales o exactas, con fines educativos o de investigación. Lo importante es que la biblioteca cuente con el equipo de cómputo y programas adecuados para el diseño y despliegue de información mencionados anteriormente. Un ejemplo de una aplicación de bibliotecas digitales podría ser un banco de planos arquitectónicos tridimensionales almacenados en archivos VRML, los cuales podrían servir como referencia para estudiantes de arquitectura y carreras afines. Conclusión Esta ponencia ha mostrado brevemente la aplicación de bibliotecas digitales para la grabación y recuperación de información de estructuras moleculares, y su despliegue e interacción utilizando técnicas de ambientes virtuales. Además, se ha comentado el potencial que tienen la tecnología de ambientes virtuales y las bibliotecas digitales para la enseñanza de la biología molecular,además de su posible aplicación en otras áreas del conocimiento. Miguel A. García Ruiz obtuvo los grados de Ingeniero en Ciencias Computacionales y Maestro en Ciencias Computacionales en la Universidad de Colima. Miguel ha IX Coloquio de Automatización de Bibliotecas, 24-26 de ... https://web.archive.org/web/20010505170418/http://ww... 6 of 7 2021-08-04, 15:51 https://web.archive.org/web/20010505170418/http://www.rcsb.org/pdb/ https://web.archive.org/web/20010505170418/http://www.rcsb.org/pdb/ trabajado en el Departamento de Digitalización de Imágenes del Centro Nacional Editor de Discos Compactos (CENEDIC), en la Subdirección de Medios Interactivos del Centro Universitario de Producción de Medios Didácticos (CEUPROMED), y ha impartido diversos cursos en la Facultad de Telemática, en la universidad de Colima. Actualmente, él estudia el primer año del Doctorado en Ciencias Computacionales e Inteligencia Artificial en la Universidad de Sussex, en Inglaterra. Bibliografía Bernstein, F., et al (1977). The protein data bank: a computer-based archival file for macromolecular structures. Journal of Molecular Biology, 112. Brickmann, J., y Volhardt, H. (1995). 3D molecular graphics on the World Wide Web. En L. Hunter, T.E. Klein (Eds.). Proceedings of the Pacific Symposium on Biocomputing. World Scientific Publishing, Singapore, pp. 663-673. Bush, V.(1945) As we may think. Atlantic Monthly, 176, pp. 101-108. Ferrin, T. et al (1992). The Midasplus molecular modeling system. En Proceedings on Human Factors in Computing Systems (CHI'92), ACM, pp. 521-522. Fox, E., et al (1995). Digital libraries. Communications of the ACM, 38(4), pp. 23-28. García Ruiz, M.A. (1998). Aplicaciones de la realidad virtual en la educación: Breve panorama general. Educación 2001, número 43, pp. 37-40. García Ruiz, M.A: (en prensa). An interactive 3D learning environment for protein chemistry. The 9th White House Papers, Isle of Thorns '99. Graduate Research in the Cognitive ad Computing Sciences in Sussex. University of Sussex. Además disponible en: http://www.cogs.susx.ac.uk/users/miguelga/iot99mig/index.html Kalawsky, R. (1993). The Science of Virtual Reality and Virtual Environments. Addison-Wesley, Wokingham. Malacinski, G. (1993). Chemical structures of the major classes of macromolecules. En Freifelder, D., y Malacinski, G. (Eds.), Essentials of Molecular Biology. Boston, MA. Jones and Barlett. Segunda Edición. Murray-Rust, P., et al (1997). The Internet as a chemical information tool. Chemical Society Reviews, 1(10). Además disponible en: http://www.rsc.org/is/journals /current/chsocrev/csr398.htm Theng, Y. L., et al (1999). Design guidelines and user-centred digital libraries. En Abiteboul, S. Y Vercoustre, A. (Eds.), Proceedings of Research and Advanced Technology for Digital Libraries. 3rd. European Conference, ECDL '99. Paris, Springer. Youngblut, C. (1998). Educational uses of virtual reality technology. Reporte técnico, Institute for Defense Analyses. Documento del IDA no. D-2128. IX Coloquio de Automatización de Bibliotecas, 24-26 de ... https://web.archive.org/web/20010505170418/http://ww... 7 of 7 2021-08-04, 15:51 https://web.archive.org/web/20010505170418/http://www.cogs.susx.ac.uk/users/miguelga/iot99mig/index.html https://web.archive.org/web/20010505170418/http://www.cogs.susx.ac.uk/users/miguelga/iot99mig/index.html https://web.archive.org/web/20010505170418/http://www.rsc.org/is/journals/current/chsocrev/csr398.htm https://web.archive.org/web/20010505170418/http://www.rsc.org/is/journals/current/chsocrev/csr398.htm https://web.archive.org/web/20010505170418/http://www.rsc.org/is/journals/current/chsocrev/csr398.htm https://web.archive.org/web/20010505170418/http://www.rsc.org/is/journals/current/chsocrev/csr398.htm
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