Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Genómica computacional


Por: Dr. Agustino Martínez Antonio*
Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno
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Sin duda la biología esta pasando por sus momentos más brillantes. Efectivamente, la biología se ha beneficiado enormemente de los desarrollos científicos y tecnológicos en otras disciplinas. El primer gran producto de estos avances ha sido la secuenciación de los genomas de varios organismos, incluyendo el del ser humano.
El genoma de un organismo esta constituido por el total de ácidos nucleicos que contiene en sus cromosomas ( en algunos casos, plásmidos), esto incluye el total de genes y regiones que no contienen genes pero que son muy importantes para la regulación de la expresión. El resultado de millones de años de ensayo y error es registrado en el genoma de cada especie, como una “biblioteca genética”, donde se encuentra contenida su historia.

Los genomas están constituidos por menos de 500 genes en las bacterias más simples hasta aproximadamente 38 mil en los humanos. Conforme los genomas son más grandes, contienen una mayor cantidad de secuencias repetidas y los organismos más complejos contienen además exones e intrones (regiones dentro de los genes que formaran o no parte de una proteína respectivamente). Los exones pueden combinarse de manera diferente, lo que significa que puede haber muchas formas funcionales de una misma proteína.

Se dispone, al presente, del orden de 160 genomas bacterianos terminados y más de 347 en proceso de secuenciación. Incluso se cuenta con información de metagenomas que son secuencias de genes existentes, por ejemplo, en una muestra de suelo y no importando a que organismos pertenezcan. Como se podrá imaginar,


para contener toda esta información biológica generada en forma exponencial en los últimos años, se requiere de potentes máquinas de cómputo, con gran capacidad de almacenamiento e intercambio de información, que pueden contener grandes bases de datos organizados, de donde se puede obtener información desde un gene hasta genomas completos.

¿Qué es la genómica computacional?

La genómica, un termino acuñado por Thomas Roderick en 1986, se refiere al estudio de las propiedades globales de los genomas; la estructuración, interacción, funciones y regulación de sus componentes. La genómica computacional en tanto, se refiere al empleo de las tecnologías del manejo de la información y sobre todo, al uso y poder de las herramientas computacionales para auxiliar en los estudios a la genómica y va mas allá, puesto que con base en la información conocida puede modelar y predecir comportamientos celulares. La importancia de la genómica computacional se refleja, por ejemplo, en el hecho de que en cada nuevo genoma secuenciado solo se conocen experimentalmente una mínima proporción de los genes codificados, con programas computacionales ha sido posible predecir el total de los genes contenidos en estos nuevos genomas y saber así por ejemplo, que los humanos somos genéticamente 98% idénticos a los chimpancés y a los gorilas o 99.9% entre nosotros. Con herramientas computacionales es posible clasificar estructuralmente grupos de genes en los cromosomas e incluso predecir interacciones funcionales y reguladoras entre genes desconocidos. La genómica computacional ha sido fundamental para los estudios de fármaco-genómica, medicina genómica,


análisis genéticos y terapia génica, entre otros, o bien conservación de especies en vías de extinción, estudios evolutivos y migración de especies.

Morelos y la era Post-genómica

Actualmente estamos entrando a lo que se denomina la etapa post-genómica, en esta etapa, se pretende vislumbrar de manera integral, cuáles y cómo interaccionan los elementos moleculares que definen las funciones celulares. Como un ejemplo de estos nuevos propósitos, nuestro grupo de trabajo, que encabeza el Dr. Julio Collado-Vides http://www.cifn.unam.mx/Computational_Genomics/, forma parte de una iniciativa internacional (E. coli alliance) que tiene como objetivo reunir esfuerzos y en un futuro cercano modelar el comportamiento de una célula completa. Para ello se ha definido como modelo de estudio a la bacteria Escherichia coli, uno de los organismos mejor caracterizados molecularmente. Nuestra principal contribución es una base de datos que hemos creado y actualizado durante los últimos 10 años y es la más importante al nivel internacional sobre elementos e interacciones en la red de regulación transcripcional en esta bacteria http://www.cifn.unam.mx/Computational_Genomics/regulondb/, misma que se ha desarrollado en el Centro de Investigación sobre Fijación del Nitrógeno, en Morelos.

Así como la nuestra, existen cientos de bases de datos en el mundo enfocados a otros organismos. Las bases de datos contienen información obtenida de estudios genéticos experimentales, por lo que estos últimos son imprescindibles ya sea enfocándose en genes aislados o con enfoques globales, como los realizados con microchips de ADN. La


genómica experimental (funcional) complementa los estudios realizados con la genómica computacional y los grupos de investigación que tienen ambos elementos tienen mayor oportunidad de aportar trabajos científicos de frontera en biología. Esta combinación de enfoques (teórico-experimental) contribuirá al entendimiento de como son regulados los elementos celulares que hacen posible el desarrollo de los embriones, la diferenciación de órganos y tejidos, la formación del sistema nervioso y el proceso de envejecimiento.
Son admirablemente complejos los mecanismos moleculares de los que se valen los organismos para regular sus funciones celulares, algunos tan complejos como el humano con trillones de células, divididas hasta en 200 tipos celulares, cuyo funcionamiento debe ser concertado y exacto. Afortunadamente, estamos en una era del conocimiento que en un futuro cercano nos permitirá entender mejor el funcionamiento celular. Las promesas son muchas; corregir defectos genéticos, tener medicina personalizada, sistemas de biorremediación específicos, fuentes alternas de energía, etc. Ello sería imposible sin las aportaciones de la genómica computacional.

Por lo anterior, es muy importante que en nuestro país se concreten iniciativas como la creación del Instituto Nacional de Medicina Genómica (INMEGEN) que tendrá gran impacto en la salud de los mexicanos y lo ideal sería que se concretaran muchas iniciativas más. La UNAM por su parte, fiel a su papel de vanguardia educativa, ha iniciado la Licenciatura en Ciencias Genómicas en el 2003, única en Latinoamérica, con sede en el Instituto de Biotecnología y el Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno.


* Agustino Martínez Antonio es Doctor en Ciencias Bioquímicas por el Instituto de Biotecnología de la UNAM. Candidato a Investigador Nacional (SNI). Actualmente está realizando su estancia Posdoctoral en el Programa
de Genómica Computacional en el Centro de Investigación sobre Fijación del Nitrógeno (UNAM)

 

Por: Dr. Agustino Martínez Antonio*
Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno
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Sin duda la biología esta pasando por sus momentos más brillantes. Efectivamente, la biología se ha beneficiado enormemente de los desarrollos científicos y tecnológicos en otras disciplinas. El primer gran producto de estos avances ha sido la secuenciación de los genomas de varios organismos, incluyendo el del ser humano.

El genoma de un organismo esta constituido por el total de ácidos nucleicos que contiene en sus cromosomas ( en algunos casos, plásmidos), esto incluye el total de genes y regiones que no contienen genes pero que son muy importantes para la regulación de la expresión. El resultado de millones de años de ensayo y error es registrado en el genoma de cada especie, como una “biblioteca genética”, donde se encuentra contenida su historia.

Los genomas están constituidos por menos de 500 genes en las bacterias más simples hasta aproximadamente 38 mil en los humanos. Conforme los genomas son más grandes, contienen una mayor cantidad de secuencias repetidas y los organismos más complejos contienen además exones e intrones (regiones dentro de los genes que formaran o no parte de una proteína respectivamente). Los exones pueden combinarse de manera diferente, lo que significa que puede haber muchas formas funcionales de una misma proteína.

Se dispone, al presente, del orden de 160 genomas bacterianos terminados y más de 347 en proceso de secuenciación. Incluso se cuenta con información de metagenomas que son secuencias de genes existentes, por ejemplo, en una muestra de suelo y no importando a que organismos pertenezcan. Como se podrá imaginar,

 

para contener toda esta información biológica generada en forma exponencial en los últimos años, se requiere de potentes máquinas de cómputo, con gran capacidad de almacenamiento e intercambio de información, que pueden contener grandes bases de datos organizados, de donde se puede obtener información desde un gene hasta genomas completos.

¿Qué es la genómica computacional?

La genómica, un termino acuñado por Thomas Roderick en 1986, se refiere al estudio de las propiedades globales de los genomas; la estructuración, interacción, funciones y regulación de sus componentes. La genómica computacional en tanto, se refiere al empleo de las tecnologías del manejo de la información y sobre todo, al uso y poder de las herramientas computacionales para auxiliar en los estudios a la genómica y va mas allá, puesto que con base en la información conocida puede modelar y predecir comportamientos celulares. La importancia de la genómica computacional se refleja, por ejemplo, en el hecho de que en cada nuevo genoma secuenciado solo se conocen experimentalmente una mínima proporción de los genes codificados, con programas computacionales ha sido posible predecir el total de los genes contenidos en estos nuevos genomas y saber así por ejemplo, que los humanos somos genéticamente 98% idénticos a los chimpancés y a los gorilas o 99.9% entre nosotros. Con herramientas computacionales es posible clasificar estructuralmente grupos de genes en los cromosomas e incluso predecir interacciones funcionales y reguladoras entre genes desconocidos. La genómica computacional ha sido fundamental para los estudios de fármaco-genómica, medicina genómica,

análisis genéticos y terapia génica, entre otros, o bien conservación de especies en vías de extinción, estudios evolutivos y migración de especies.

Morelos y la era Post-genómica

Actualmente estamos entrando a lo que se denomina la etapa post-genómica, en esta etapa, se pretende vislumbrar de manera integral, cuáles y cómo interaccionan los elementos moleculares que definen las funciones celulares. Como un ejemplo de estos nuevos propósitos, nuestro grupo de trabajo, que encabeza el Dr. Julio Collado-Vides http://www.cifn.unam.mx/Computational_Genomics/, forma parte de una iniciativa internacional (E. coli alliance) que tiene como objetivo reunir esfuerzos y en un futuro cercano modelar el comportamiento de una célula completa. Para ello se ha definido como modelo de estudio a la bacteria Escherichia coli, uno de los organismos mejor caracterizados molecularmente. Nuestra principal contribución es una base de datos que hemos creado y actualizado durante los últimos 10 años y es la más importante al nivel internacional sobre elementos e interacciones en la red de regulación transcripcional en esta bacteria http://www.cifn.unam.mx/Computational_Genomics/regulondb/, misma que se ha desarrollado en el Centro de Investigación sobre Fijación del Nitrógeno, en Morelos.

Así como la nuestra, existen cientos de bases de datos en el mundo enfocados a otros organismos. Las bases de datos contienen información obtenida de estudios genéticos experimentales, por lo que estos últimos son imprescindibles ya sea enfocándose en genes aislados o con enfoques globales, como los realizados con microchips de ADN. La

 
genómica experimental (funcional) complementa los estudios realizados con la genómica computacional y los grupos de investigación que tienen ambos elementos tienen mayor oportunidad de aportar trabajos científicos de frontera en biología. Esta combinación de enfoques (teórico-experimental) contribuirá al entendimiento de como son regulados los elementos celulares que hacen posible el desarrollo de los embriones, la diferenciación de órganos y tejidos, la formación del sistema nervioso y el proceso de envejecimiento.

Son admirablemente complejos los mecanismos moleculares de los que se valen los organismos para regular sus funciones celulares, algunos tan complejos como el humano con trillones de células, divididas hasta en 200 tipos celulares, cuyo funcionamiento debe ser concertado y exacto. Afortunadamente, estamos en una era del conocimiento que en un futuro cercano nos permitirá entender mejor el funcionamiento celular. Las promesas son muchas; corregir defectos genéticos, tener medicina personalizada, sistemas de biorremediación específicos, fuentes alternas de energía, etc. Ello sería imposible sin las aportaciones de la genómica computacional.

Por lo anterior, es muy importante que en nuestro país se concreten iniciativas como la creación del Instituto Nacional de Medicina Genómica (INMEGEN) que tendrá gran impacto en la salud de los mexicanos y lo ideal sería que se concretaran muchas iniciativas más. La UNAM por su parte, fiel a su papel de vanguardia educativa, ha iniciado la Licenciatura en Ciencias Genómicas en el 2003, única en Latinoamérica, con sede en el Instituto de Biotecnología y el Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno.

 

* Agustino Martínez Antonio es Doctor en Ciencias Bioquímicas por el Instituto de Biotecnología de la UNAM. Candidato a Investigador Nacional (SNI). Actualmente está realizando su estancia Posdoctoral en el Programa
de Genómica Computacional en el Centro de Investigación sobre Fijación del Nitrógeno (UNAM)