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Investigación documental y de campo INFORME FINAL TEMA: Biología computacional para el entendimiento de los sistemas biológicos Nombre del aspirante: Sergio Vázquez Rodríguez Fecha de entrega: 29/05/2019

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Investigación documental y de campo INFORME FINAL TEMA: Biología computacional para el

entendimiento de los sistemas biológicos

Nombre del aspirante: Sergio Vázquez Rodríguez Fecha de entrega: 29/05/2019

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INDICE

INTRODUCCIÓN ------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 ANECEDENTES --------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 MARCO TEORICO. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------4 METODOLOGIA. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------6 RESULTADOS ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------6 CONCLUSIONES. --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 ANEXO --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 REFERENCIAS. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 12

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1. INTRODUCCIÓN

Durante los últimos 20 años los métodos computacionales se han establecido como parte en la

investigación en las ciencias biológicas, la biología computacional propone orden en nuestra

compresión de la vida, la informática no solo amplía la biología, sino que traen con ellos por

completo nuevas preguntas y herramientas, como estadísticas, simulación y gestión de datos, que

han cambiado completamente la forma en que se realiza la investigación biológica, en la actualidad

el conocimiento biológico se define, organiza y se accede a través de la computación. (Markowetz.,

2017).

Aunque los términos bioinformática y biología computacional en ocasiones suelen usarse como

sinónimos. La biología computación a diferencia de la bioinformática que se ha definido como la

aplicación de las técnicas computacionales para entender, organizar y analizar la información

asociada a las macromoléculas, es una rama de la biología que involucra el uso de técnicas y

conocimientos de informática para la comprensión y el modelado de las estructuras y procesos de

la vida, implica el desarrollo y la aplicación de métodos analíticos y teóricos de datos, modelos

matemáticos y técnicas de simulación computacional para el estudio de sistemas biológicos, en

todas sus escalas, desde moléculas y células hasta poblaciones y ecosistemas. La investigación en

biología computacional comprende entonces cualquier cosa, desde abstracción de las propiedades

de un sistema biológico en un modelo físico o matemático, hasta la implementación de nuevos

algoritmos y desarrollo de nuevos códigos (Desarrollo de software), (Young., 2003, Castro y Cols.,

2010, Loman y Watson., 2013).

2. ANECEDENTES

La historia de la investigación en bioinformática y biología computacional inicia desde la década de

los cincuenta, esencialmente junto a los orígenes de la informática. El matemático y lógico británico

Alan Turing, utilizó las primeras computadoras para implementar un modelo de morfogénesis

biológica a principios de la década de 1950 (Turing., 1952, Searls., 2012), posteriormente aparecen

los trabajos de Watson y Crick sobre la estructura del ADN (1953) a lo cual le siguieron estudios

sobre la estructura del RNA de transferencia (ARNt) en 1968, estructura que 10 años antes ya había

predicho Francis Crick, el modelo del ARNt fue publicado en 1969 y para ello se desarrollo un

programa llamado CFF el cual permitió calcular la energía y las fuerzas derivadas con respecto a las

posiciones atómicas y la curvatura o ángulo derivada de las mismas posiciones de los enlaces

atómicos de cualquier sistema molecular como las proteínas. (Levitt., 2001). En 1986, el término

“genómica” apareció por primera vez y en 1988 en ese mismo año se inicia el proyecto de

secuenciación del genoma humano el cual finaliza en el 2003. El proyecto genoma humano acelera

el desarrollo de varias técnicas y tecnologías y le da fuerza al campo de las “omicas”. (Castro y Cols.,

2010)

La aplicación de la informática en el entendimiento de los sistemas biológicos no solo abarca la

comprensión de la estructura y función de las moléculas de la vida (ADN, RNA y proteínas), en

paralelo, el campo de la neurobiología y neurociencias se ve influenciado con las crecientes técnicas

y aplicaciones de la informática, aunque es común rastrear el origen de la neurociencia

computacional al modelo matemático que Alan L. Hodgkin y Andrew F. Huxley desarrollaron en 1952

del potencial de acción del axón gigante de calamar si bien ninguno de los dos artículos promovió el

uso de métodos computacionales en neurociencia directamente, hacen uso del modelaje

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matemático para abordar el estudio y compresión de la comunicación nerviosa. El siguiente gran

paso fue el trabajo de Wilfrid Rall, quien utilizó enfoques matemáticos basados en la teoría del cable

para mostrar que las arborizaciones dendríticas de las neuronas afectan fuertemente el

procesamiento de la entrada sináptica. Rall fue pionero en el uso de computadoras digitales en

neurociencia y desarrolló la versión discretizada de la teoría de cables, modelado comportamental,

que forma la base de algunos de los paquetes de software más utilizados en neurociencia

computacional (como GENESIS y NEURON), (Schutter., 2008).

Otro campo de la biología que adopto las herramientas provenientes de la informática y del

desarrollo de las tecnologías computacionales es el campo de la evolución que en la décadas de

1960-1970 se empezó a implementar la informática en el estudio de la filogenia con ello nace la

filogenética molecular los programadores informáticos empezaron a construir arboles filogenéticos

en base al parentesco de las proteínas o genes característicos que se han conservado

evolutivamente en el código genético de las poblaciones ecológicas este es el punto de partida de

evolución y filogenética molecular. Estos campos que nacieron en conjunto o en paralelo con el

desarrollo de la informática enfatizan fuertemente el uso de modelos computacionales para

predecir e investigar las propiedades de los sistemas biológicos, en la actualidad el uso de técnicas

computacionales no solo está limitado a estos campos de las ciencias biológicas si no vas más halla

desde la ecología de poblaciones hasta el diseño de modelos de interacción y propagación en células

cancerígenas así como el modelado y diseño de fármacos o medicamentos. (Nair., 2007)

3. MARCO TEORICO.

Para entender la organización funcional de los sistemas biológicos, hay que comprender que en los

sistemas biológicos hay un gran número de conjuntos, de elementos funcionalmente diversos y con

frecuencia multifuncionales que interactúan de forma selectiva y no lineal para producir

comportamientos coherentes y complejos, a diferencia de los sistemas complejos de elementos

simples, en los que las funciones emergen de las propiedades de las redes que forman en lugar de

cualquier elemento específico, las funciones de los sistemas biológicos se basan en una combinación

de la red y de los elementos específicos involucrados (Kitano ., 2002)

La metodología usada para comprender el funcionamiento de un sistema biológico según Kitano.,

2002, Lopez y Cols 2007, Cho., 2006, Srihari y Cols., 2011. Para entender la organización funcional

de las células o unidades biológicas superiores, a menudo es necesario identificar a las entidades

que conforman el sistema tomando en cuenta que estas entidades son interactivas, por lo que se

ha de comenzar (A) por realizar la descripción de los componentes que constituyen el sistema, (B)

las interacciones entre estas entidades, (C) su comportamiento dinámico bajo cambios a

condiciones internas y externas. (D) para en última instancia ser capaz de diseñar o modelar el

sistema. El objetivo es combinar todo esto información en modelos que capturen el conocimiento

actual y proporcionen nuevos conocimientos y predicciones sobre el sistema en condiciones

previamente no estudiadas.

El problema al que nos enfrentamos al comenzar la tarea de modelado del sistema biológico es el

de encontrar el método adecuado. Los sistemas biológicos reales no tienen un comportamiento

ideal ni determinista, lo cual, implica que sea necesario utilizar técnicas de modelado no

convencionales que nos pongan a disposición una visión más amplia y adecuada del funcionamiento

interno de las partes que conforman a los sistemas biológicos complejos. En la actualidad la

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comprensión de los sistemas biológicos existe abundante literatura disponible en la comunidad que

destaca la variedad de herramientas, algoritmos y bases de datos disponibles para diferentes

aspectos del análisis en la biología computacional que va desde la gestión y conocimiento de los

datos, hasta la profundización en simulación “in silico” y análisis de modelos matemáticos, a

modelos fisiológicos, modelos físicos, hasta modelos de interacción, entre otros. (Palaniappan y

Cols., 2018)

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4. METODOLOGIA.

4.1. APLICACIÓN DE ENCUENTA

Con el objetivo de conocer la opinión pública sobre la biología computacional y/o bioinformática

estos campos que comprende tanto a la biología y en mayor proporción a la informática y a otras

áreas de la ciencias, se realizó una encuesta (ver anexo), esta fue en formato digital, por lo que todos

los encuestados recibieron mediante correo electrónico la encuesta donde se les informo en qué

consistía y para que era la encuesta, esto con la finalidad de saber su interés en la participación en

la encuesta, cabe mencionar que no se registró el sexo puesto que se aplicó indistintamente sin

tomar en cuenta esta variable.

4.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Se realizaron graficas de pastel para representar los porcentajes obtenidos de la encuesta, se hizo

un histograma de frecuencia para las edades, todo se realizo con la ayuda del software Origin 9 pro.

5. RESULTADOS

Se realizo la encuesta en formato digital, a los encuestados se les envió la encuesta mediante correo

electrónico previamente se consultó si podían o quieran participar en la encuesta, en total se

encuestaron a 17 personas en su mayoría estudiantes y profesionistas de distintas áreas académicas

siendo en su mayoría integrantes del área de biología Figura 1

Figura 1. Grafica de pastel de las distintas áreas académicas comprendidas entre los entrevistados.

Las edades de los entrevistados comprenden de entre 20 a 40 años, obteniendo un promedio de 27

± 1 año Figura 2.

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Figura 2. Histograma de edades de las 17 personas entrevistadas.

Como se mencionó anteriormente el objetivo de la entrevista fue el conocer que tanto están

informados o si conocen estas áreas del conocimiento que tiene en común entre la informática y las

áreas médico-bilógicas, se encontró que 35.2 % de los entrevistados tienen conocimiento o están

informados de estos campos de investigación, además de que el 52.9 % considera que estos campos

son complementarios pero distintos. Figuras 3 y 4.

Figuras 3 y 4. 3) Porcentaje de encuestados que al menos saben o han escuchado tanto de

bioinformática como de biología computacional o ambas. 4) Porcentaje de encuestados que

consideran que son o no campos diferentes entre la biología computacional y la bioinformática.

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Se encontró que el 47 % de los encuestados considera que si se hace investigación en México tanto

en el área de la biología computacional y de la bioinformática mientras que un pequeño porcentaje

de los encuestados considera que no se hace investigación de este tipo en México Figura 5.

Figura 5. Porcentaje de encuestados que creen que se hace o no investigación en México de los

campos tanto de biología computacional como de bioinformática o ambas.

De entre los campos que se mencionaron en los cuales son objeto de estudio tanto de la biología

computacional y la bioinformática, se obtuvo que el 70.5 % de los encuestados consideran que son

objeto de estudio para ambas áreas de investigación, Figura 6.

Figura 6. Porcentaje de las áreas o campos mencionados que comprenden tanto la biología

computacional y la bioinformática.

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Por otro lado, el 94 % de los encuestados considera que tanto la biología computacional y la

bioinformática tienen una aplicación real en la sociedad, sin embargo, el 58 % considera que estos

campos de investigación no son de interés social Figuras 7 y 8.

Figuras 7 y 8. Porcentajes de los encuestados que creen que si tiene aplicabilidad y que es de interés

social tanto para biología computacional y la bioinformática.

Dentro de las técnicas de informática más usas en la biología computación o en la bioinformática

tenemos que el 50 % de los encuestados considera que se usan más de una técnica de informática

en estos campos, mientras que el 5 % no tiene idea de que técnicas de informática se usan en estas

áreas Figura 9.

Figura 9. Porcentaje de las técnicas mencionadas que se usan tanto para la biología computacional

y la bioinformática.

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Por último, se encontró que el 76.5 % e los encuestados consideran que los estudiantes de las áreas

médico-biológicas cuentan con poco conocimiento en informática Figura 10

Figura 10. Porcentaje de los encuestados que consideran que los estudiantes de las áreas médico-

biológicas cuentan con poco conocimiento en informática.

6. CONCLUSIONES.

A partir de la información obtenida de la encuesta podemos concluir que existe entre los

encuestados conocimientos de estas áreas (Biología computacional y Bioinformática), y que estas

áreas son independientes y complementarias, a de mas de que hacen uso de distintas técnicas de

la propia informática que han sido extrapoladas a las ciencias médico-biológicas.

Si bien el mayor porcentaje de los entrevistados considera que estos campos tienen una aplicación

en la solución de los problemas reales que se plantean en las sociedades, es de sumo interés el

hecho de que el mayor porcentaje de los entrevistados considera que estos temas no son de interés

en la sociedad, por lo que podemos decir que no hay mucha divulgación por parte de los centros de

investigación que se dedican a estos campos de investigación y la sociedad en general en México, o

al menos en Puebla.

Por otro lado, podemos también decir que es necesario hoy en día el uso consciente de la

informática, por lo tanto, los estudiantes de las áreas médico-biológicas deberían de llevar un curso

o cursos de informática orientada a estas áreas.

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7. ANEXO

Encuesta

1. ¿Cuál es tu edad?

2. ¿A qué te dedicas?

3. ¿Conoce o ha escuchado de la biología computacional o de la bioinformática?

Si. Bio Computacional. Si. Bioinformática. Ambas. Ninguna.

4. ¿Consideraría que la bioinformática y la biología computacional sean los mismos campos de

investigación?

SI son los mismos. NO son los mismos. SON Complementarios.

5. ¿Cree que en México se haga investigación en biología computacional o en bioinformática?

SI. NO. AMBAS.

6. ¿Qué campos cree que son objeto de estudio en la biología computacional y bioinformática?

i) Genética y Biol. Molecular. ii) Ecología y Evolución. iii) Biol. De Sistemas complejos.

iv) TODAS.

7. ¿Cree que la biología computacional y a bioinformática sean campos de investigación con aplicación

en la vida real?

SI. NO.

8. ¿Cree que la biología computacional y la bioinformática sean áreas de interés social?

SI. NO.

9. ¿Qué técnicas de informática cree que se usen en la biología computacional?

i) DESARROLLO DE SOFTWARE. ii) SIMULACION POR PC iii) MODELAJE MATEMATICO POR PC

iv) ANALISIS DE DATOS Y ALMACENAMIENTO DE DATOS. v) TODAS

vi) NO SE

10. ¿Consideran que los estudiantes de las áreas médico-biológicas tienen conocimientos en

informática?

SI, POCO, SI, MUCHO. NO.

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8. REFERENCIAS.

• Markowetz F. (2017). All biology is computational biology. PLoS Biol 15(3).

• Loman N y Watson M. (2013). So you want to be a computational biologist?. Nature

Biothecnology 31(11).

• Levitt M. (2001). The birth of computational structural biology. Nature 8(5).

• Castro L, Gutiérrez R y Cristancho M. (2010). Necesidad de un Centro Nacional de

Bioinformática y Biología Computacional para Colombia. Revista Colombiana de Biotecnología

XII(1).

• De Schutter E. (2008). Why Are Computational Neuroscience and Systems Biology So

Separate? PLoS Comput Biol 4(5)

• Nair A. (2007). Computational Biology & Bioinformatics: A Gentle Overview,

Communications of the Computer Society of India. Journals in Bioinformatic. Enero.

• Lopez M, Romero G y Vega M. (2007). Biologia de sistemas, Informe de vigilancia

tecnologica. Genoma España.

• Cho R. (2006). The application of systems biology to drug discovery. Current Opinion in

Chemical Biology. 10.

• Palaniappan S, Yachie-Kinoshita A and Ghosh S. (2018). Encyclopedia of Bioinformatics and

Computational Biology. ELSERVIER.