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Bibliotecas digitales y ambientes virtuales para la enseñanza de la biología
molecular
Conference Paper · November 1999
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Miguel A. Garcia-Ruiz
Algoma University
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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.
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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
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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 estructurade 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
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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.
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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.
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Además, según indican Theng et al (1999), es importante poner énfasis enel 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
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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.
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Brickmann, J., y Volhardt, H. (1995). 3D molecular graphics on the World Wide Web.
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