El documento describe la importancia de la bioinformática en el desarrollo de las ciencias, especialmente la biotecnología y la medicina molecular. La bioinformática ha surgido de la necesidad de analizar grandes cantidades de datos generados por la genómica, proteómica y otras disciplinas "ómicas". Las herramientas de bioinformática permiten identificar genes y proteínas, predecir su función y estructura, y estudiar las interacciones entre proteínas, lo que tiene aplicaciones en medicina y biotecnología.

1. Artículo Original
Función e Importancia de la Bioinformática en el Desarrollo
de las Ciencias, Especialmente en Biotecnología y Medicina
Molecular
FUNCTION AND IMPORTANCE OF BIOINFORMATICS IN THE DEVELOPMENT OF SCIENCES, SPECIALLY IN
BIOTECHNOLOGY AND MOLECULAR MEDICINE
Jorge Martínez Hormazábal
Licenciado en Ingeniería en Biotecnología Molecular. Bachiller en Ciencias Naturales y Exactas.
Tesista de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile. Profesor Ayudante de la Universidad Mayor.
RESUMEN ABSTRACT
Estamos en el término de la era tecnológica de la Informática, al We are at the end of the technological era of informatics, at the
comienzo, tal vez, de nuevas eras como la Biotecnología, la beginning, perhaps, of new eras such as biotechnology, molecular
Medicina Molecular y la Nanotecnología; eso conlleva a que la medicine and nanotechnology. That implies that informatics as such
Informática como tal se ha fusionado con la Genética y Biología has merged with genetics and molecular biology generating
Molecular, generando la Bioinformática y, con la Medicina, bioinformatics and medicine generating medical informatics.
generando la Informática Médica. Genome sequencing implies the need of obtaining conclusions of the
La secuenciación de genomas lleva la necesidad de obtener conclu- reading of those millions of base pairs, knowing what they codify, how
siones de la lectura de esos millones de pares de bases, saber qué they relate and regulate the expression of the various genetic products,
codifican, cómo se relacionan y regulan la expresión de los distin- as well as finding the function of unknown proteins by homology to
tos productos génicos, además de encontrar la función de proteínas known function proteins and of generating models that allow the study
desconocidas por homología a proteínas con función conocida y de of specific mutations. The speed and efficacy of such conclusions have
generar modelos que permitan estudiar mutaciones puntuales. La been possible thanks to the development of bioinformatics.
rapidez y eficacia de esas conclusiones se ha generado gracias al This article has the objective of providing a basic description of
desarrollo de la Bioinformática. bioinformatics, its relationship with medical informatics, its main tools,
Este artículo tiene por objetivo entregar una descripción básica de data bases and functions in molecular medicine and biotechnology.
la Bioinformática, su relación con la Informática Médica, sus prin-
cipales herramientas, bases de datos y funciones en la Medicina Descriptors: COMPUTATIONAL BIOLOGY; BIOTECHNOLOGY, PRO-
Molecular y Biotecnología. TEOMICS, GENOMICS; MOLECULAR DIAGNOSTIC TECHNIQUES;
MEDICAL INFORMATICS.
(Martinez J. 2006. Función e Importancia de la Bioinformática en el
Desarrollo de las Ciencias, Especialmente en Biotecnología y
Medicina Molecular. Cienc Trab, Oct-Dic.;8 (22):159-163).
Descriptores: BIOLOGÍA COMPUTACIONAL, BIOTECNOLOGÍA,
PROTEÓMICA, GENÓMICA, TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO MOLE-
CULAR, INFORMÁTICA MÉDICA.
INTRODUCCIÓN proteínas separadas en geles 2-D y caracterizadas por espectro-
metría de masas llevan a generar insospechados datos, de los que
Estamos en la era post-genoma humano, la era de las ómicas: la se conocen propiedades globales, pero no en detalle (Bensmail y
Genómica, la Proteómica, la Metabolómica y la Citómica, que Haoudi 2003).
conllevan una gran cantidad de datos a analizar. La secuencia- La aplicación de las nuevas técnicas en Proteómica y Genómica
ción masiva de genomas, la determinación de estructuras de Funcional ha cambiado el escenario: de conocer una función,
proteínas, el seguimiento, la expresión de miles de genes simul- buscar el gen responsable y estudiar la proteína individual a
táneos, la determinación de interacciones entre proteínas y el tener una gran cantidad de genes a los cuales hay que buscar su
estudio sistemático de las modificaciones pos-traduccionales de función y la necesidad de estudiar las relaciones entre muchas
proteínas (Dopazo et al. 2001).
El análisis de estos datos entrega las enormes posibilidades en
áreas como la Medicina, la Biología y la Biotecnología, desde los
estudios evolutivos hasta la producción de nuevas medicinas
Correspondencia / Correspondence: capaces de interrumpir selectivamente puntos específicos en
Jorge Martínez Hormazábal redes de interacción entre proteínas, por lo cual, la
Las Palmeras 3425 Bioinformática es crucial para lograr estos objetivos.
Ñuñoa, Santiago Utilizamos el término Bioinformática sin saber los distintos signi-
Tel: 08-26918005 ficados que tiene según el especialista al que se pregunta; gene-
e-mail: jorgemartinezh@gmail.com ralmente, cuando hablamos de Bioinformática nos referimos a un
Recibido: 16 de octubre de 2006 / Aceptado: 09 de noviembre de 2006 amplio abanico de actividades que van desde el simple uso de
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programas informáticos de análisis de secuencias a la biología in El desarrollo de nuevos algoritmos (fórmulas matemáticas) y
sílico, pasando por el desarrollo de algoritmos (Dopazo et al. estadísticos con los cuales se pueda relacionar partes de un
2001). conjunto enorme de datos, como por ejemplo métodos para loca-
Este artículo tiene por objetivo entregar una descripción básica lizar un gen dentro de una secuencia, predecir estructura o
de la Bioinformática, su relación con la Informática Médica, sus función de proteínas y poder agrupar secuencias de proteínas en
principales herramientas, bases de datos y funciones en la familias relacionadas.
Medicina Molecular y Biotecnología. No debemos confundirla con la Informática Médica y la
Telemedicina, que son los nexos entre la Informática y las
Ciencias de la Salud, aunque el desarrollo de Medicina Molecular,
UNA DEFINICIÓN DE BIOINFORMÁTICA con un gran avance en Genética Molecular y Genómica conlleva
un gran desarrollo de la Bioinformática.
Antes de hacer una definición clara, es necesario analizar las rela-
ciones entre la Biología y Computación, pues cada una de éstas
tiene objetivos y metodologías claras. HERRAMIENTAS QUE ENTREGA
La Biología computacional es la aplicada a solución de problemas LA BIOINFORMÁTICA
biológicos no moleculares mediante modelización y simulación;
ejemplo es el estudio de ecosistemas en Ecología. Las herramientas Bioinformáticas han nacido de la necesidad de
La Biocomputación es el desarrollo de sistemas computaciones trabajar específicamente con una gran cantidad de secuencias de
basados en modelos y materiales biológicos; ejemplo son los DNA y Proteínas que se encuentran almacenadas en bases de
biochips, los biosensores y el cálculo de problemas utilizando los datos (Coulson 1994); esta información se puede utilizar para
procesos biológicos del ADN (DNA Computing). buscar las propiedades de una secuencia, comparándola con
La Bioinformática, llamada también Biología Molecular secuencias semejantes con propiedades conocidas o a través de
Computacional, corresponde como tal a una disciplina científica reglas para predecir propiedades de secuencias nuevas (Altschul
que utiliza tecnología de la información para organizar, analizar y et al. 1997; Thompson et al. 1994).
distribuir información de Biomoléculas con la finalidad de
responder preguntas complejas (Altschul et al. 1994). Entre las herramientas bioinformáticas más comunes para la
La Bioinformática abarca el uso de técnicas y herramientas utili- obtención de información, tenemos (Dopazo 2001):
zadas en tres disciplinas separadas; la Biología Molecular (donde se • La obtención de secuencias de DNA o proteínas similares a la
originan los datos a analizar), la Computación (que proporciona el secuencia problema.
hardware, las vías de comunicación de los resultados entre investi- • La obtención de secuencias con palabras clave o información
gadores) y el análisis de datos mediante algoritmos (que entrega los similar a la secuencia problema.
programas y resultados a analizar) (Richon 2004). • La búsqueda de motivos funcionales o estructurales en la
Según la definición del Centro Nacional para la Información secuencia problema y obtención de secuencias que contienen
Biotecnológica —National Center for Biotechnology Information— los mismos motivos.
(NCBI por sus siglas en inglés, 2001): "Bioinformática es un campo • El alineamiento múltiple de la secuencia problema con otras
de la ciencia en el cual confluyen varias disciplinas tales como: similares, y definición de regiones conservadas y variables.
biología, computación y tecnología de la información. El fin último • Ensamblaje de fragmentos de DNA y creación de mapas genó-
de este campo es facilitar el descubrimiento de nuevas ideas bioló- micos.
gicas así como crear perspectivas globales a partir de las cuales se • Predicción de estructura y dinámica de macromoléculas.
puedan discernir principios unificadores en biología. Al comienzo • La reconstrucción de la filogenia a partir del alineamiento.
de la revolución genómica, el concepto de bioinformática se refería • La construcción de un motivo característico del alineamiento
sólo a la creación y mantenimiento de base de datos donde se alma- y el uso de éste para encontrar nuevas secuencias con motivos
cena información biológica, tales como secuencias de nucleótidos y comunes con el alineamiento previamente realizado.
aminoácidos. El desarrollo de este tipo de base de datos no sola- • Estudio de todos los genes y proteínas de un organismo:
mente significaba el diseño de la misma sino también el desarrollo “Genómica y proteómica funcional”.
de interfaces complejas donde los investigadores pudieran acceder • La generación de partidores para diseñar PCR.
a los datos existentes y suministrar o revisar datos.
Luego toda esa información debía ser combinada para formar una Bases de datos de la Bioinformática y su papel central
idea lógica de las actividades celulares normales, de tal manera que Los organismos vivos se encuentran formados por células y éstas
los investigadores pudieran estudiar cómo estas actividades se contienen ADN como material genético; la secuenciación de las
veían alteradas en estados de una enfermedad. De allí viene el bases del ADN de los cromosomas de un organismo corresponde
surgimiento del campo de la bioinformática y ahora el campo más al genoma de éste. Actualmente la velocidad de secuenciación de
popular es el análisis e interpretación de varios tipos de datos, genomas ha sido rápido, desde 1995, generando una colección de
incluyendo secuencias de nucleótidos y aminoácidos, dominios de genomas simples de bacterias, menores y más fáciles de secuen-
proteínas y estructura de proteínas. ciar, hasta genomas de organismos superiores.
El proceso de analizar e interpretar datos biológicos es conocido
como biocomputación. Dentro de la bioinformática y la biocompu- Bases de datos de secuencias de nucleótidos
tación existen otras sub-disciplinas importantes: Para acceder a las bases de datos de nucleótidos, podemos usar
El desarrollo e implementación de herramientas que permitan el las siguientes bases de datos:
acceso, uso y manejo de varios tipos de información. GenBank at the NCBI (Bethesda, Maryland,USA).
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- http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Entrez También existen bases de datos de estructuras en 3 D cristali-
The European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Nucleotide zadas; éstas contienen archivos que pueden visualizarse con un
Sequence Database at the European Bioinformatics Institute (EBI) programa de estructuras. Las bases de datos que nos entregan
in Hinxton, near Cambridge, UK estructuras son:
- http://www.ebi.ac.uk Protein Data Bank (PDB)
The DNA Database of Japan (DDBJ) at the National Institute of - http://www.rcsb.org/pdb
Genetics in Mishima, Japan. The Molecular Modeling Database (MMDB)
- http://www.ddbj.nig.ac.jp. - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure
The Fold classification based on Structure-Structure alignment of
Estas grandes bases de datos forman el International Nucleotide Proteins database (FSSP)
Sequence Database, http://www.insdc.org/ la cual combina cola- - http://www.ebi.ac.uk/dali/fssp
borativamente los datos de estas tres grandes bases de datos de The Structural Classification Of Proteins (SCOP)
secuencias de nucleótidos. - http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop
The CATH database
Bases de datos de proteínas - http://www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath_new
Las proteínas generan más de un problema en el momento de
almacenarlas en bases de datos; existen bases de datos generados
a partir de la traducción de los genomas, los que tienen el INTERACCIONES ENTRE PROTEÍNAS
problema de ser redundantes. Para aquello se requieren bases de
datos no redundantes, entre las cuales tenemos: La tecnología del sistema de dos híbridos en levadura permite
detectar proteínas que potencialmente interaccionan. Este tipo de
The NCBI protein database (Entrez Proteins) análisis ha comenzado a realizarse para varios genomas, particu-
- http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez) larmente el de Helicobacter pylori, que puede convertirse en el
SWISS-PROT primer genoma para el que se llegue a conocer un conjunto sufi-
- http://www.expasy.org/sprot cientemente representativo de la red completa de interacciones
TrEMBL (Translated EMBL) entre proteínas.
- http://www.expasy.org/sprot). Estos datos constituyen la base del posible desarrollo de nuevos
PIR (Protein Information Resource) medicamentos que tengan como objetivo interrumpir interac-
- http://pir.georgetown.edu ciones específicas en lugar de, como hacen los medicamentos
actuales, anular completamente todas las funciones de una o
Para evitar problemas de análisis se ha generado una clasifica- varias proteínas.
ción de familias que agrupan proteínas con características de Los métodos experimentales se apoyan de métodos bioinformá-
dominio, motivos, dominio y motivos (Hofmann et al. 1999). ticos para la predicción de interacciones entre proteínas. El
conjunto completo de interacciones detectadas experimental-
Bases de datos de motivos mente o predichas requiere del desarrollo de bases de datos y
PROSITE sistemas capaces de mantener y manipular esta información,
-http://www.expasy.org/prosite, detrás de la cual está el problema fundamental del funciona-
The BLOCKS database miento de los complejos sistemas de interacciones en rutas meta-
- http://www.blocks.fhcrc.org bólicas y caminos de señalización (Friddle et al. 2000).
The PRINTS database Entre las bases de datos de interacción entre proteínas se encuen-
- http://www.bioinf.man.ac.uk/dbbrowser/PRINTS tran:
http://dip.doe-mbi.ucla.edu/
Bases de datos de dominios http://www.genebio.com/Melanie.html
Pfam http://pim.hybrigenics.com/pimriderlobby/current/PimRider
- http://www.sanger.ac.uk/Software/Pfam LobbyHiv.htm
Simple Modular Architecture Research Tool http://www.cellzome.com/
- http://smart.embl-heidelberg.de
The ProDom database Bases de datos por organismo
- http://www.toulouse.inra.fr/prodom.html También existen bases de datos especificas a la secuenciación del
Clusters of Orthologous Groups of proteins (COG) database, genoma de organismos, entre ellos tenemos:
maintained at the NCBI E Coli
- http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG - http://www.genome.wisc.edu y http://ecoli.aist-nara.ac.jp
Candida albicans
Bases de datos conjuntas de motivos y dominios - http://sequence-www.stanford.edu/group/candida
Integrated Resource of Protein Families, Domains and Dictyostelium discoideum
SitesInterPro, - http://www.uni-koeln.de/dictyostelium
- http://www.ebi.ac.uk/interpro Entamoeba histolytica
The NCBI's Conserved Domain Database and Search Service - http://homepages.lshtm.ac.uk/entamoeba/
(CDD) Giardia lamblia
- http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml - http://www.mbl.edu/Giardia
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Leishmania major APLICACIONES EN MEDICINA MOLECULAR Y
- http://www.mbl.edu/Giardia BIOTECNOLOGÍA
Neurospora crassa
- http://mips.gsf.de/proj/neurospora/ La secuenciación del Genoma Humano entregó una fuente de datos
Plasmodium falciparum sobre las relaciones de genes humanos y algunas enfermedades, a
- http://www.plasmodb.org través de conocer causas moleculares de éstas y descubrir cómo las
Pneumocystis carinii diferencias Genéticas entre las personas causan o contribuyen a la
- http://biology.uky.edu/Pc expresión de enfermedades. La Medicina Molecular es la unión
Caenorhabditis elegans entre la Medicina y la Genómica. Dentro de ésta nace la Medicina
- http://www.wormbase.org Genómica, definida como el análisis Genotípico de un individuo
Drosophila melanogaster para cambiar su medio ambiente, prevenir y tratar enfermedades
- http://flybase.bio.indiana.edu/ detectadas en el análisis; la Medicina Individual, que consiste en la
Homo Sapiens aplicación de la Genómica para identificar la predisposición indi-
- http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim vidual para desarrollar una enfermedad y para diseñar terapias
adaptadas a los perfiles genéticos de los pacientes y que, por tanto,
podrían prescribirse con seguridad y eficiencia (Uwe et al. 2000).
ANÁLISIS DE PATRONES DE EXPRESIÓN GÉNICA En conjunto, constituyen tres áreas de desarrollo para el futuro. La
primera busca, en mayor medida, el conocimiento de la enfer-
El desarrollo de la tecnología conocida de los Microarrays, mediante medad; la segunda, determinar la existencia de defectos genéticos
la cual se pueden unir a pequeñas piezas de soportes sólidos decenas y su efecto en la salud del individuo, a partir de la relación con un
de miles de sondas capaces de detectar específicamente la expresión entorno particular; y, la última, reconocer las diferencias genéticas
de un determinado gen en cada una de ellas, ha permitido comparar entre las personas, para tratarlas acordes a éstas.
los niveles de expresión génica entre células normales y células La Medicina Molecular y la Biotecnología son áreas de desarrollo
tumorales (Uwe et al. 2000). Una de sus potenciales aplicaciones es e innovación tecnológica. El progreso de ambas se encuentra estre-
la posibilidad de detectar rápidamente patologías por medio del chamente relacionado a través de la investigación Genómica,
análisis de las características genotípicas de distintos individuos, Posgenómica (Proteómica y Metabolómica) y la Bioinformática.
además de detectar, por ejemplo, qué tipo de medicina puede ser más La identificación de las causas moleculares de las enfermedades
útil para el perfil de expresión de un individuo concreto (Berns 2000). junto con el desarrollo de la industria Biotecnológica y
Las aproximaciones experimentales basadas en Microarrays se ha Farmacéutica permitirán el desarrollo de mejores métodos de diag-
extendido enormemente debido a su aparente simplicidad técnica nóstico, la identificación de dianas terapéuticas y el desarrollo de
unida a una enorme potencia para explorar sistemas complejos. Es fármacos personalizados, así como una mejor medicina preventiva
importante darse cuenta de que buena parte de los problemas (Iliopoulos et al. 2000).
asociados a su aplicación son computacionales, tanto en lo referido
a la manipulación y almacenamiento de la compleja información Figura 1.
experimental generada como, y más importante, para la interpreta- Relación entre la Informática, las Ciencias de la Salud, la Biología
ción de los resultados. Este tipo de interpretación puede referirse a Molecular, la Genética y la Biotecnología.
problemas como la detección de genes con patrones de expresión
similares y de las posibles características funcionales que explican
esta similitud en sus patrones de expresión.
PRINCIPALES PÁGINAS SOBRE MICROARRAYS
Herramientas para el análisis de Microarrays
http://bioinfo.cnio.es/cgi-bin/tools/clustering/sotarray
http://www.microarrays.org/
http://ep.ebi.ac.uk/
http://www.applied-maths.com/ge/ge.htm
http://www.tigr.org/softlab/
http://www.partek.com/
http://www.nhgri.nih.gov/DIR/LCG/15K/HTML/
http://discover.nci.nih.gov/nature2000/
http://www.rii.com/
http://genome-www4.stanford.edu/MicroArray/SMD/ restech.html Las Áreas de la Salud, la Biología Molecular, la Genética y la
http://www.pdg.cnb.uam.es/geisha/ Informática han comenzado a acercarse haciendo su relación más
estrecha, para responder a las demandas que surgirán de la
Principales páginas de expresión Medicina Molecular. Parece apropiado pensar que, para
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ comprender las causas de las enfermedades y avanzar en el diag-
http://www.ebi.ac.uk/arrayexpress/ nóstico, terapias seguras e individualizadas, será necesario unir la
http://beamish.lbl.gov/ Bioinformática, la Informática Médica y el medio ambiente.
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CONCLUSIONES Las herramientas de la Bioinformática han cambiado muchos
ámbitos del estudio de las Ciencias. Actualmente todos los
La comunicación sin hilos, la Internet de alta velocidad, el desa- equipos de Biología Molecular y Medicina traen software más
rrollo de computadores con procesadores cada vez más rápidos y especializados y el rol del científico, más que hacer el experi-
económicos (véase la ley de Moore), la aparición de nuevas inter- mento, va en interpretar y manejar correctamente los datos; por
fases multimedia (que permitirán, vía resultados de microarrays y lo cual es imprescindible que todo profesional de estas áreas
geles 2-D para diagnosticar certeramente muchos tipos de enferme- desarrolle conocimientos en su uso y aplicación, además que se
dades, seguir la eficacia de su tratamiento); la investigación de formen profesionales específicos en esta área que solucionen las
propiedades de nuevas proteínas, la remodelación de éstas mediante incógnitas que vayan apareciendo, pues cada vez más aumen-
programas que simulan su actividad y el estudio de las vías meta- tarán las bases de datos y cada vez más tendremos nuevas
bólicas con las relaciones entre proteínas, proponen un presente y preguntas: esto es el comienzo.
futuro totalmente revolucionario.
REFERENCIAS
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Dopazo J, Zanders E, Dragoni I, Amphlett G, Falciani F. 2001 Methods and approa- specific gap penalties and weight matrix choice. Nucleic Acids Res. 22:4673-80.
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