ENTORNO TECNOLOGICO
Biocomputación, un nuevo enfoque
Durante la segunda mitad del siglo XX, gran parte de los avances de la ciencia han sido consecuencia del desarrollo de los conocimientos y tecnologías que permiten el estudio y la manipulación de las moléculas de la vida (bioquímica y biología molecular), y de aquellas que facilitan la interpretación e integración de datos, así como la ejecución de procesos a velocidad mucho mayor que la propia acción humana (ciencias de la computación).
Ambas áreas de la ciencia se han desarrollado simultáneamente. Así, en 1956, Arthur Kornberg sintetizó por primera vez ADN in vitro a partir de nucleótidos, mientras John Backus inventaba el primer lenguaje de programación de computadoras (Fortram). El año que Severo Ochoa y Kornberg recibían el Premio Nobel por la biosíntesis de ácidos nucleicos (1959), Grace Murray Hopper inventaba el lenguage Cobol.
En 1965, Jacob, Lwoff y Monod recibían el Premio Nobel por su teoría de la regulación génica, al tiempo que Kemeny y Kurtz desarrollaban el Basic. En 1967, Kornberg consiguió la primera replicación in vitro de material genético y Gene Amdahl proponía la construcción de una computadora con procesadores en paralelo.
Durante 1970-71, Hamilton Othanel, Daniel Nathans y Hamilton Smith descubrían las primeras enzimas de restricción (las herramientas básicas de la tecnología del ADN recombinante) y la ingeniería genética, y se introducían en el mercado los discos blandos (floppy disks), los microprocesadores (chips) y la primera calculadora de bolsillo (de Hellemans y Bunch, 1988). Todo esto ocurría antes de que nacieran la mayoría de estudiantes que ahora tenemos en nuestras aulas.
En realidad son los biólogos y los bioquímicos quienes hacen su primer acercamiento a la tecnología computacional como elemento fundamental para su trabajo diario.
La biocomputación ha sido la base para ayudar en las grandes investigaciones sobre la vida; el diagnóstico genético, por ejemplo, tiene mucha influencia en la vida de todas las personas, pero la mayoría de la gente no está enterada de ello.
La tecnología informática proporciona un elemento teórico y proporciona las herramientas prácticas, para que los científicos puedan explorar las proteínas y el ADN. Desde principios de los años noventa, muchos laboratorios han estado analizando el genoma completo de varias especies, como bacterias levaduras, ratones y seres humanos. Durante estos esfuerzos de colaboración se han generado cantidades enormes de datos, que se recogen y se almacenan en grandes bases de datos, la mayoría de las cuales son publicadas y accesibles.
Además de recopilar todos estos datos, es necesario comparar estas secuencias de nucleótidos o de aminoácidos a las semejanzas y a las diferencias de cada hallazgo. Puesto que no es muy conveniente comparar las secuencias de varios (cientos) nucleótidos o aminoácidos de manera manual, varias técnicas de cómputo fueron desarrolladas para solucionar este problema. Además, las máquinas tienen menos errores que un acercamiento manual. Al uso de técnicas de cómputo para analizar datos biológicos se le denomina biocomputación.
Con el incremento en complejidad y capacidad tanto de las computadoras como de las técnicas de investigación, se necesitan "puentes" humanos que puedan entender ambas disciplinas y sean capaces de comunicarse con los expertos de los dos campos.
Históricamente el uso de las computadoras para resolver cuestiones biológicas comenzó con el desarrollo de algoritmos y su aplicación en el entendimiento de las interacciones de los procesos biológicos y las relaciones filogenéticas entre diversos organismos. Se debe distinguir entre tres acepciones en las que se unen la biología y la informática, pero con objetivos y metodologías bien diferenciadas:
- Bioinformática o biología molecular computacional, que consiste en la investigación y desarrollo de la infraestructura y sistemas de información y comunicaciones que requiere la biología molecular y la genética (redes y bases de datos para el genoma).
- Biología computacional: computación que se aplica al entendimiento de cuestiones biológicas básicas, no necesariamente en el nivel molecular, mediante la modelización y simulación (ecosistemas, modelos fisiológicos).
- Biocomputación: desarrollo y utilización de sistemas computacionales basados en modelos y materiales biológicos (biochips, biosensores, computación basada en ADN, redes de neuronas, algoritmos genéticos).
La bioinformática es una disciplina científica emergente que utiliza tecnología de la información para organizar, analizar y distribuir información biológica con la finalidad de responder preguntas complejas en biología. Es un área de investigación multidisciplinaria, la cual puede ser ampliamente definida como la interfase entre dos ciencias: biología y computación, y está impulsada por la incógnita del genoma y el proteoma humano y la promesa de una nueva era en la cual la investigación genómica puede ayudar dramáticamente a mejorar la condición y calidad de vida humana.
El fin último de este campo es facilitar el descubrimiento de nuevas ideas biológicas, así como crear perspectivas globales a partir de las cuales se puedan discernir principios unificadores en biología.
Al comienzo de la "revolución genómica", el concepto de bioinformática se refería sólo a la creación y mantenimiento de base de datos donde se almacena información biológica, como secuencias de nucleótidos y aminoácidos. El desarrollo de este tipo de base de datos no solamente significaba el diseño de la misma, sino también el desarrollo de interfaces complejas donde los investigadores pudieran acceder a los datos existentes y suministrar o revisar datos.
Luego toda esa información debía ser combinada para formar una idea lógica de las actividades celulares normales, de tal manera que los investigadores pudieran estudiar cómo estas actividades se veían alteradas en estados de una enfermedad. De allí viene el surgimiento del campo de la bioinformática.
Las tecnologías de la información jugarán un papel fundamental en la aplicación de los desarrollos tecnológicos en el campo de la genética a la práctica médica, como refleja la presencia de la bioinformática médica y la telemedicina dentro de las principales líneas en patología molecular.
Los científicos siguen dando pasos de gigante para que algún día sea posible utilizar ADN en tareas informáticas. De momento, especialistas de la Universidad de Wisconsin-Madison han conseguido trasladar una muestra de este material genético desde el mundo flotante de un tubo de ensayo a la superficie rígida de una placa de cristal y oro.
Con ello, no es descabellado pensar que en el futuro el ADN pueda ser usado para llevar a cabo las mismas tareas que ahora precisan de innumerables circuitos electrónicos y silicio.
La computación mediante ADN es una tecnología aún en pañales. Expertos como Lloyd Smith buscan capitalizar la enorme capacidad de almacenamiento de información de estas moléculas biológicas, las cuales pueden efectuar operaciones similares a las de una computadora a través del uso de enzimas, catalizadores biológicos que actúan como el software que ejecuta las operaciones deseadas.
La colocación del ADN sobre una superficie sólida, alejándolo del tubo de ensayo, es un paso importante porque simplifica su manipulación y acceso. Demuestra también que será posible aumentar su complejidad para resolver mayores problemas.
En los experimentos de Wisconsin, un grupo de moléculas de ADN fueron aplicadas sobre una pequeña placa de cristal recubierta por oro. En cada experimento, el ADN fue adaptado de manera que se incluyeran todas las posibles respuestas a un problema determinado. Exponiendo las moléculas a ciertas enzimas, se eliminaron las moléculas con respuestas incorrectas, dejando sólo las que poseían contestaciones correctas.
Las moléculas de ADN pueden almacenar mucha más información que un chip convencional de computadora. Se ha estimado que un gramo de ADN secado puede contener tanta información como un billón de discos compactos. Además, en una reacción bioquímica que ocurriese sobre una pequeñísima área, cientos de billones de moléculas de ADN podrían operar en concierto, creando un sistema de procesamiento en paralelo que imitaría la habilidad de la más poderosa supercomputadora.
Los chips que se emplean en las computadoras normales representan la información en series de impulsos eléctricos que emplean unos y ceros. Se usan fórmulas matemáticas para manipular el código binario y alcanzar la respuesta. La computación por ADN, por su parte, depende de información representada como un patrón de moléculas organizadas en un hilo.
Ingenieros de la NASA trabajan en el diseño de computadoras del tamaño de una molécula de proteína, que servirán para rastrear y reparar daños celulares en el organismo humano.
Meyya Meyyappan, del área de nanotecnología de la NASA, explicó que los "minúsculos médicos robots" que entrarán al torrente sanguíneo serán creados para reparar las lesiones causadas por accidentes, enfermedades, atacar virus y bacterias, así como eliminar células cancerosas. Explicó que aunque aún no hay un nanorrobot en funcionamiento (con un tamaño equivalente a la diezmilmillonésima parte de un metro), los ingenieros cuentan con diseños teóricos propuestos.