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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 Bioinformática
Introducción
¿Qué es bioinformática?
Un poco de historia
Datos biológicos
Objetivos
Ámbito
Aplicaciones prácticas
Áreas de investigación
Limitantes
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Bioinformática Introducción
1 Bioinformática
Introducción
¿Qué es bioinformática?
Un poco de historia
Datos biológicos
Objetivos
Ámbito
Aplicaciones prácticas
Áreas de investigación
Limitantes
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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
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Bioinformática Introducción
Introducción
Por ejemplo, la enumeración y la estadística son necesarias para
evaluar los experimentos cotidianos de laboratorio, como contar
colonias de bacterias
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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
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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
O el uso de un gran número de ecuaciones diferenciales parciales
no lineales para modelar el flujo sanguíneo cardíaco
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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
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Bioinformática ¿Qué es bioinformática?
1 Bioinformática
Introducción
¿Qué es bioinformática?
Un poco de historia
Datos biológicos
Objetivos
Ámbito
Aplicaciones prácticas
Áreas de investigación
Limitantes
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
• Imágenes tomadas de Wikipedia
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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)
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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
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.
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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
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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
A continuación describiremos a detallequé es la bioinformática
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Bioinformática Datos biológicos
1 Bioinformática
Introducción
¿Qué es bioinformática?
Un poco de historia
Datos biológicos
Objetivos
Ámbito
Aplicaciones prácticas
Áreas de investigación
Limitantes
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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...
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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...
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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
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Bioinformática Datos biológicos
Datos biológicos
Una gran cantidad de información, cada día aumenta más
Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la Bioinformática 16 de mayo del 2013 24 / 37
Bioinformática Objetivos
1 Bioinformática
Introducción
¿Qué es bioinformática?
Un poco de historia
Datos biológicos
Objetivos
Ámbito
Aplicaciones prácticas
Áreas de investigación
Limitantes
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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
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Bioinformática Ámbito
1 Bioinformática
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 Bioinformática 16 de mayo del 2013 27 / 37
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
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Bioinformática Ámbito
Ámbito
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Bioinformática Aplicaciones prácticas
1 Bioinformática
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 Bioinformática 16 de mayo del 2013 30 / 37
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
Biotecnología agrícola
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Bioinformática Áreas de investigación
1 Bioinformática
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 Bioinformática 16 de mayo del 2013 32 / 37
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
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Bioinformática Limitantes
1 Bioinformática
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 Bioinformática 16 de mayo del 2013 34 / 37
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.
Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la Bioinformática 16 de mayo del 2013 35 / 37
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
Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la Bioinformática 16 de mayo del 2013 36 / 37
Bioinformática Limitantes
Introducción a la Bioinformática
Dr. Eduardo A. RODRÍGUEZ TELLO
http://www.tamps.cinvestav.mx/~ertello
ertello@tamps.cinvestav.mx
16 de mayo del 2013
Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) Introducción a la Bioinformática 16 de mayo del 2013 37 / 37
http://www.tamps.cinvestav.mx/~ertello
ertello@tamps.cinvestav.mx
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