Biochip

Partes: 1, 2

Relación entre la biología y la Informática

1. ¿Qué es bioinformática?
2. El Proyecto Genoma Humano
3. Genómica funcional - La Era Post-Genómica 
4. Conceptos Generales
6. Definiciones
7. Desarrollo del BIOCHIP.
8. Sistema integrado de laboratorio.
9. La biotecnología es la esperanza para una vacuna contra el cáncer
10. Mural
11. Aspectos Tecnológicos
12. Metodología de Trabajo
13. Técnicas y Métodos de Fabricación
14. Revelado
15. Labchips
16. Bioinformática Asociada 
17. Software
18. Bases de Datos para Biochips
19. Iniciativas de Estandarización
20. Aplicaciones
21. Ventajas
22. Limitaciones
23. Aspectos de Mercado
24. Patentes
25. Tendencias y proyecciones

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: 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, microarrays, ...). (Informática aplicada a la biología molecular y la genética)
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). (Informática y matemáticas aplicadas a la biología)
Biocomputación: desarrollo y utilización de sistemas computacionales basados en modelos y materiales biológicos. (Biochips, biosensores, computación basada en ADN, redes de neuronas, algoritmos genéticos). (Biología aplicada a la computación).

Básicamente, los sistemas informáticos que se emplean en este campo son:

Bases de datos
Software para visualización
Programas para control de reactivos, geles y otros materiales
Generación y ensamblaje de secuencias
Programas para análisis de secuencias
Programas para predicción de estructura de proteínas
Paquetes de integración y ensamblaje de mapas genéticos
Software para clasificación y comparación
Técnicas de Inteligencia Artificial
Gestión de datos
Bases de datos locales o accesibles mediante redes de comunicaciones.
Literatura médica y científica unida a las secuencias.
Distribución de datos
Redes de comunicaciones
Aplicaciones
Gestión de datos en el laboratorio
Automatización de experimentos
Ensamblaje de secuencias contiguas
Predicción de dominios funcionales en secuencias génicas
Alineación de secuencias
Búsquedas en las bases de datos de estructuras
Predicción de genes
Predicción de la estructura de proteínas
Evolución molecular. Árboles filogenéticos
Información Científica
Documentos de difusión y apoyo a la Bioinformática

¿Qué es bioinformática?

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. Bioinformática es un área de investigación multidisciplinaria, la cual puede ser ampliamente definida como la interfase entre dos ciencias: Biología y Computación y esta impulsada por la incógnita del genoma 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.
Avances en la detección y tratamiento de enfermedades y la producción de alimentos genéticamente modificados son entre otros ejemplos de los beneficios mencionados más frecuentemente. Involucra la solución de problemas complejos usando herramientas de sistemas y computación. También incluye la colección, organización, almacenamiento y recuperación de la información biológica que se encuentra en base de datos.

Según la definición del Centro Nacional para la Información Biotecnológica "National Center for Biotechnology Information" (NCBI por sus siglas en Inglés, 2001):
"Bioinformática es un campo de la ciencia en el cual confluyen varias disciplinas tales como: biología, computación y tecnología de la información. 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, tales 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 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 y ahora el campo más popular es el análisis e interpretación de varios tipos de datos, incluyendo secuencias de nucleótidos y aminoácidos, dominios de proteínas y estructura de proteínas.
El proceso de analizar e interpretar los datos es conocido como biocomputación. Dentro de la bioinformática y la biocomputación existen otras sub-disciplinas importantes:

El desarrollo e implementación de herramientas que permitan el acceso, uso y manejo de varios tipos de información
El desarrollo de nuevos algoritmos (fórmulas matemáticas) y estadísticos con los cuales se pueda relacionar partes de un conjunto enorme de datos, como por ejemplo métodos para localizar un gen dentro de una secuencia, predecir estructura o función de proteínas y poder agrupar secuencias de proteínas en familias relacionadas."

La Medicina molecular y la Biotecnología constituyen dos áreas prioritarias científico tecnológicas como desarrollo e Innovación Tecnológica. El desarrollo en ambas áreas están estrechamente relacionadas. En ambas áreas se pretende potenciar la investigación genómica y postgenómica así como de la bioinformática, herramienta imprescindible para el desarrollo de estasDebido al extraordinario avance de la genética molecular y la genómica, la Medicina Molecular se constituye como arma estratégica del bienestar social del futuro inmediato. Se pretende potenciar la aplicación de las nuevas tecnologías y de los avances genéticos para el beneficio de la salud. Dentro de las actividades financiables, existen acciones estratégicas, de infraestructura, centros de competencia y grandes instalaciones científicas. En esta área, la dotación de infraestructura se plasmará en la creación y dotación de unidades de referencia tecnológica y centros de suministro común, como Centros de Bioinformática, que cubran las necesidades de la investigación en Medicina Molecular. En cuanto a centros de competencia, se crearán centros de investigación de excelencia en hospitales en los que se acercará la investigación básica a la clínica, así como centros distribuidos en red para el apoyo a la secuenciación, DNA microarrays y DNA chips, bioinformática, en coordinación con la red de centros de investigación genómica y proteómica que se proponen en el área de Biotecnología. En esta área la genómica y proteómica se fundamenta como acción estratégica o instrumento básico de focalización de las actuaciones futuras.

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. La aplicación de los conocimientos en genética molecular y las nuevas tecnologías son necesarios para el mantenimiento de la competitividad del sistema sanitario no sólo paliativo sino preventivo. La identificación de las causas moleculares de las enfermedades junto con el desarrollo de la industria biotecnológica en general y de la farmacéutica en particular permitirán el desarrollo de mejores métodos de diagnóstico, la identificación de dianas terapéuticas y desarrollo de fármacos personalizados y una mejor medicina preventiva.

El Proyecto Genoma Humano

• Proyecto Genoma 

El progresivo desarrollo de métodos automatizados de preparación de muestras de DNA, su secuenciación y posterior lectura ha permitido afrontar, a lo largo de la ultima década, diversos proyectos de secuenciación a gran escala.   En 1997 se describía el genoma del primer organismo, el de la levadura, Saccharomyces cerevisiae; dos años después fue el del gusano, Caenorhabditis elegans. A mediados del año 2000 puede ya disponerse de la descripción del genoma de la mosca del vinagre, Drosophila melanogaster, y a finales del mismo año se conoce el de una planta, Arabidopsis arrives.

El Consorcio Internacional, integrado por 20 grupos de diferentes países y por otro lado la empresa privada Celera, acaban de hacer público, el 12 de febrero del 2001, el mapa provisional del genoma humano (GH) que aporta una extraordinaria información acerca de las bases genéticas del ser humano. El equipo del Consorcio público Internacional dirigido por Eric Lander, del Sanger Centre (Cambridge, Reino Unido) publica la secuencia en la revista Nature y la empresa estadounidense Celera Genomics, dirigida por Craig Venter lo publica en la revista Science. http://www.sciencemag.org//t_blank

El Consorcio Internacional calcula que el genoma humano contiene 31.780 genes codificadores de proteínas, hasta la fecha ha descubierto 22.000. Celera afirma tener indicios de la existencia de 26.000 genes y cree que la cifra total sería de 38.000.

De los 300.000 clones de partida fueron válidos 30.000 clones que representan un total de 3.200 Megabases. Estos resultados alcanzados en octubre del 2000, representan el 90% del genoma y son los que se han publicado. El 10% restante se pretende completar en el año 2002. La secuencia obtenida es de enorme trascendencia y son muchos y variados los puntos de interés pudiendo destacarse algunos datos:

• El ser humano tiene solo el doble de genes que la mosca del vinagre, un tercio más que el gusano común y apenas 5.000 genes más que la planta Arabidopsis. El ADN humano es al menos en un 98% idéntico al de los chimpancés y otros primates.
• 3200 millones de pares de bases forman genes, repartidos entre los 23 pares de cromosomas. Los cromosomas más densos (con más genes codificadores de proteínas) son el 17, 19 y el 22. Los cromosomas X, Y, 4, 18 y 123 son los más áridos.
• El equipo de Celera Genomics utilizó para secuenciar el genoma humano muestras de ADN de tres mujeres y dos hombres (un afroamericano, un chino, un asiático, un hispanomexicano y un caucasiano). El equipo de Celera utilizo DNA perteneciente a doce personas. Cada persona comparte un 99,99 por ciento del mismo código genético con el resto de los seres humanos. Sólo 1.250 letras separan una persona de otra.
• Hasta ahora se han encontrado 223 genes humanos que resultan similares a los genes bacterianos.
• Sólo un 5 % del genoma codifica proteínas. El 25% del genoma humano está casi desierto, existiendo largos espacios libres entre un gen y otro.
• Se calcula que existen unas 250-300.000 proteinas distintas. Por tanto cada gen podría estar implicado por término medio en la síntesis de unas diez proteinas.
• Algo más del 35% del genoma contiene secuencias repetidas. Lo que se conoce como DNA basura.
• Se han identificado un número muy elevado de pequeñas variaciones en los genes que se conocen como polimorfismos nucleótidos únicos, SNP de su acrónimo inglés. Celera ha encontrado 2,1 millones de SNP en el genoma y el Consorcio 1,4 millones. La mayoría de estos polimorfismos no tienen un efecto clínico concreto pero de ellos depende, por ejemplo, el que una persona sea sensible o no a un determinado fármaco y la predisposición a sufrir una determinada enfermedad.  

La gran magnitud de la información a manejar se incrementa teniendo en cuenta que para llegar a reconocer dónde comienzan y terminan los genes e identificar sus exones, intrones y secuencias reguladoras se requieren comparaciones entre secuencias de diversas especies (Genómica comparativa).  

El mapa de secuencias generado por el proyecto se utilizará como fuente primaria de información para la biología humana y la medicina. El proyecto público liderado por el Gobierno de Estados Unidos y varios europeos introducirá toda la información en una base de datos de acceso gratuito. Por el contrario, Celera obligará a empresas farmacéuticas y a las instituciones académicas a firmar un contrato de suscripción. Como contrapartida Craig Venter ofrece servicios de valor añadido como la posibilidad de comparar la secuencia del genoma humano con la del ratón. Como las diferencias entre ambos son prácticamente mínimas, los científicos podrán más fácilmente descubrir las funciones, por ahora desconocidas, de muchos genes humanos, muchos de ellos de interés terapéutico. De ahí que en España como en el resto de Europa y Estados Unidos, los investigadores han creado consorcios para contratar los servicios de la empresa estadounidense. El aprovechamiento de toda la información exigirá una importante inversión porque la nueva era de la genómica requiere complejas y costosas herramientas.

Ahora que el Genoma se ha descifrado, el gran reto científico es conocer como interactúan entre sí los genes y de que manera las más sutiles alteraciones de cada una de estas operaciones predisponen a cada individuo a una enfermedad. El entendimiento de cómo las variantes genéticas regulan el fenotipo de células, tejidos y órganos ocupará la investigación del siglo XXI. Se calcula que existen unas 8.000 enfermedades hereditarias, pero hoy sólo se pueden detectar unas 200 antes del nacimiento y existen test genéticos por otros pocos centenares. Los científicos, que hoy conocen la función de unos 10.000 genes, deberían ir hallando las complicadas relaciones entre genética y enfermedad.

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Genómica funcional - La Era Post-Genómica 

Si la genómica estructural es la rama de la genómica orientada a la caracterización y localización de las secuencias que conforman el DNA de los genes, permitiendo de esta manera la obtención de mapas genéticos de los organismos, la genómica funcional es la disciplina que se orienta hacia la recolección sistemática de información acerca de las funciones desempeñadas por los genes.  

Para llevar a cabo este trabajo se requiere, mediante el desarrollo y la aplicación de unas aproximaciones experimentales globales, la información procedente de la genómica estructural. Las metodologías experimentales empleadas han de combinarse con estudios computacionales de los resultados debido al gran volumen de información que se genera durante los estudios realizados a gran escala.   

Con la genómica funcional el objetivo es  llenar el hueco existente entre el conocimiento de las secuencias de un gen y su función,  para de esta manera desvelar el comportamiento de los sistemas biológicos. Se trata de expandir el alcance de la investigacion biológica desde el estudio de genes o proteínas individuales  al estudio de todos los  genes y proteínas al mismo tiempo en un momento determinado. 

Conceptos Generales

     En el campo de las ciencias biomédicas, estamos asistiendo desde hace años a un boom de la biología molecular y más concretamente de la genética y la genómica, gracias a la continua implementación y desarrollo de  técnicas experimentales a disposición de los investigadores en los laboratorios.

Los biochips representan una de las herramientas recientes con las que cuentan los investigadores para hacer frente a la resolución de los problemas biológicos basados en nuevos enfoques que se orientan a la obtención masiva de información. El desarrollo de estos enfoques integrados para el análisis ha venido de la mano de la capacidad de gestionar y almacenar grandes cantidades de información, por tanto no es de extrañar que la llegada de estos dispositivos haya coincidido con la madurez de la bioinformática en la cual se sustentan la realización de los experimentos en general y el análisis de los datos que de ellos se obtienen en particular.

El término Biochip en la actualidad está siendo empleado en muy diversos campos científicos, lo que puede llevar a confusiones, por lo cual se debe aclarar qué es lo que se considera un Biochip y qué no. Esta confusión terminológica es debida al origen del término y es por ello que se deben hacer distinciones entre los Biochips, la Biocomputación y la Bioinformática, según su campo de aplicación sea biológico o informático.

En las tecnologías de la información, existe una rama dedicada a la utilización de material biológico para aplicaciones informáticas o en el desarrollo de hardware para la realización de procesos computacionales, como por ejemplo el diseño de unidades de memoria basadas en las diferentes conformaciones de las proteínas, la computación basada en ADN, en la cual se utilizan moléculas de ADN para la resolución de problemas y los procesadores neuronales. En este contexto se emplea el termino Biocomputación. Pero la utilización del término no queda reducida a estas dos aplicaciones sino que también se utiliza en ocasiones para referirse a los Biodispositivos que son aplicaciones que combinan chips en los seres vivos como por ejemplo los implantes cocleares.

Dentro de las aplicaciones en biología podríamos diferenciar entre los Biochips como hardware y la bioinformática como software. Los Biochips, serían un hardware biológico que surge como una adaptación de los microprocesadores electrónicos en los que se sustituyen los circuitos impresos por muestras de material biológico.

Son dispositivos miniaturizados capaces de inmovilizar con una elevada densidad de integración material biológico de diferentes tipos como proteínas, ácidos nucleicos, etc…. Por el contrario, la Bioinformática aplica las tecnologías de la información a la resolución de problemas de orden biológico. La bioinformática trabaja en la investigación y desarrollo de herramientas útiles para llegar a comprender el flujo de la información biológica que se origina en los genes, estructuras moleculares, la función bioquímica, la conducta biológica y por último la influencia en las enfermedades y la salud.

Debido a este problema terminológico a estos dispositivos también se les conoce con otros nombres como Micromatrices de material biológico, Microarrays, y según el tipo de material inmovilizado como DNA arrays o Chips Genéticos, Protein Chips o Tissue Chips.

Estos dispositivos están constituidos formando una matriz con el material biológico que se inmoviliza sobre ellos de forma que se sabe en cada punto de la matriz que es lo que se ha depositado permitiendo el posterior análisis. El número de posiciones en  estas matrices puede llegar a alcanzar las decenas de miles.

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Las principales aplicaciones de estos dispositivos se han encontrado hasta el momento en el campo del análisis genético pero como se ha dicho anteriormente se pueden aplicar para otros usos. La mayor parte de esta página web estará dedicada a las aplicaciones que estos dispositivos tiene en genómica, intentando no descuidar las aplicaciones que inmovilicen otros tipos de material.

Antecedentes

   El fundamento de los biochips se encuentra en el desarrollo y miniaturización de las técnicas de afinidad que se conocen y han venido empleando desde hace años como una herramienta común en biología molecular.

El desarrollo de los primeros ensayos de afinidad con muestras inmovilizadas sobre soportes sólidos se remonta a los primeros ensayos inmunológicos que se desarrollaron en los años 60´s y en los que se inmovilizaban sobre una superficie antígenos o anticuerpos para su detección. El siguiente paso en la evolución hacia estos dispositivos se dio en los años 70´s cuando Edwin Southern, comenzó a emplear filtros de nitrocelulosa para que actuasen como soporte sólido para la adhesión de moléculas de ADN. El ADN así inmovilizado no interacciona con las otras moléculas inmovilizadas pero mantiene su capacidad de hibridar con moléculas complementarias en disolución. La detección de estas hibridaciones se realizaba mediante la detección de un marcador radiactivo en un revelado por autorradiografía. A este tipo de técnica se la bautizó con el nombre de Southern blot, que después se extendió al campo de la inmovilización de proteínas y ARN.

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Fodor, Michael Pirrung, Leighton Read y Lubert Stryer, que trabajaba en la síntesis sobre superficies sólidas de péptidos, terminó desembocando en la plataforma GeneChip, que ha sido desarrollada por Affymetrix, una compañía escindida de Affymax en 1993. La importancia de este paso radica en la gran capacidad de miniaturización alcanzada por este sistema. Posteriormente al nacimiento de la tecnología desarrollada por Affymetrix se han ido sucediendo la aparición de nuevas compañías y nuevos desarrollos que han permitido alcanzar el alto grado de diversidad tecnológica existente en la actualidad.

Definiciones

A finales de los años 80, la tecnología que desembocaría en la plataforma GeneChip fue desarrollada por cuatro científicos, en Affymax: Stephen Fodor, Michael Pirrung, Leighton Read y Lubert Stryer. El proyecto original estaba destinado a la construcción de péptidos sobre chips, pero desembocó en la capacidad para construir secuencias de DNA sobre chips. La aplicación práctica de esta idea se llevó a cabo por la empresa Affymetrix, que comenzó a actuar como una compañía independiente en el año 1993.

Los biochips, por tanto, surgieron de la combinación de las técnicas microelectrónicas y el empleo de materiales biológicos. Se basan en la ultraminiaturización y paralelismo implícito y se concretan en chips de material biológico de alta densidad de integración válidos para realizar distintos tipos de estudios repetitivos con muestras biológicas simples.

Si en los microchips empleados en los ordenadores se consigue una alta densidad de integración de circuitos electrónicos en una oblea de silicio, en los biochips se logra una alta densidad de integración de material genético en una oblea de silicio, cristal o plástico.
Los biochips están divididos en unas pequeñas casillas que actúan cada una a modo de un tubo de ensayo en el que se produce una reacción. El número de estas casillas es muy elevado, llegando incluso a los centenares de miles.

Cada casilla del chip posee una cadena de un oligonucleótido, que puede corresponder a una sección del gen de estudio (cuando se conoce su secuencia) o a mutaciones del mismo. Debido a la extrema miniaturización del sistema se pueden analizar en un único chip todas las posibilidades de mutación de un gen simultáneamente. Solo aquellos fragmentos de DNA que hibriden permanecerán unidos tras los lavados y dado que se conocen las secuencias y posiciones de los oligonucleótidos empleados, tras los lavados se produce el revelado que consiste en introducir el chip en un escáner óptico que va a ser capaz de localizar, mediante un proceso similar a la microscopía confocal, las cadenas marcadas con el fluorocromo. Un ordenador analiza la información procedente del escáner y ofrece el resultado.

Otro tipo de diseño permite la cuantificación de la expresión de múltiples genes simultáneamente.
La potencia de estos sistemas trae consigo la obtención, en tiempos muy breves, de grandes volúmenes de información, (secuencias, mutaciones, datos de expresión génica, determinaciones analíticas de interés clínico, screening con fármacos) que necesitan ser gestionados con técnicas bioinformáticas para extraer conocimiento de utilidad en la investigación biomédica.
Parece que el futuro pasa por la integración de estas nuevas técnicas en el entorno clínico haciendo posible el concepto de análisis y diagnóstico en el "point-of-care". La revista Science destaca esta tecnología como uno de los 10 avances científicos más significativos del año 1998.

La nomenclatura empleada para referirse a estas nuevas tecnologías es diversa y comienza por el término más general que es el de "Biochip" y hace referencia al empleo de materiales biológicos sobre un chip. Otros términos más específicos son: "DNA chip", "RNA chip" (según el material empleado) y "Oligonucleotide chip" o "DNA microarray", que hacen referencia al material y a la forma en la que se construye el chip. Existen también unos términos comerciales con los que referirse a los biochips que varían dependiendo de la tecnología empleada.

Aplicaciones de los Biochips
A pesar de ser una tecnología muy reciente y que, por lo tanto, está aún en vías de experimentación, actualmente los biochips están siendo aplicados en:

1. Monitorización de expresión génica: permite determinar cual es el patrón de expresión génica y cuantificar el nivel de expresión de manera simultánea para un elevado número de genes. Esto permite realizar estudios comparativos de activación de determinados genes en tejidos sanos y enfermos y determinar así la función de los mismos.
3. Detección de mutaciones y polimorfismos: Permite el estudio de todos los posibles polimorfismos y la detección de mutaciones en genes complejos.
4. Secuenciación: Mientras que se han diseñando algunos biochips para secuenciación de fragmentos cortos de ADN, no existe aún en el mercado ningún biochip que permita secuenciar de novo secuencias largas de ADN.
5. Diagnóstico clínico y detección de microorganismos: Posibilitan la identificación rápida empleando unos marcadores genéticos de los patógenos.
6. Screening y toxicología de fármacos: el empleo de los biochips permite el analizar los cambios de expresión génica que se dan durante la administración de un fármaco de forma rápida, así como la localización de nuevas posibles dianas terapéuticas y los efectos toxicológicos asociados.
7. Seguimiento de terapia: los biochips permiten valorar rasgos genéticos que pueden tener incidencia en la respuesta a una terapia.
8. Medicina preventiva: El conocimiento y posible diagnóstico de ciertos caracteres genéticos asociados a determinadas patologías permite una prevención de las mismas antes de que aparezcan los síntomas

Desarrollo del BIOCHIP.

En la actualidad la empresa RANDOX ha desarrollado el primer Sistema de Ensayos en Biochip (Biochip Array System).
El Biochip es el componente mas importante de este sistema de ensayos de multianalitos. El Biochip aloja sitios quimicos de reconocimiento para un analisis selectivo y sensible de multiples parametros simultaneos. El desarrollo the este componente integral, ha requerido un analisis fisico y quimico exhaustivo para asegurar una selectividad, activacion y estabilizacion optima del Biochip.

  Biochips: dispositivos de pequeño tamaño (chip) que contienen material biológico (bio) y que se emplean para la obtención de información genética. Estos dispositivos se conocen también como Microarrays de ADN o por nombres comerciales de las empresas que los suministran (GeneChip, MassArray). Nosotros proponemos el nombre de micromatrices de material genético.

Son equipos miniaturizados en los que se integran decenas de miles de sondas de material genético con una secuencia conocida. Cuando se ponen en contacto con una muestra de un paciente o de un experimento, sólo aquellas cadenas complementarias a las del chip se hibridan y originan un patrón de luz característico, que se lee con un escáner y se interpreta con un ordenador. De este modo se pueden conocer las mutaciones que el paciente tiene en sus genes o aquellos genes que se están expresando en una situación determinada. Los primeros chips de ADN se fabricaron en los mismos centros donde fabrican los chips para ordenadores y usando la misma tecnología (fotolitografía). La enorme cantidad de información que puede resultar de estos ensayos debe ser analizada de nuevo por sistemas bioinformáticos.

Aunque aún se están usando principalmente en entornos de investigación, se prevé que en los próximos años asistiremos a la aprobación para uso clínico de algunos de estos sistemas. Potencialmente podrían ocasionar una revolución en la medicina, trasladando el laboratorio genético al hospital, e incluso a la consulta de atención primaria, del mismo modo que los chips de los microprocesadores, debido a su miniaturización, provocaron la salida de los ordenadores de los grandes centros de proceso de datos y su instalación en la consulta o el despacho de los profesionales.

Hay que distinguir esta acepción de otras que el término ha venido recibiendo: -aquellas aplicaciones de dispositivos electrónicos en los seres vivos como los implantes cocleares (biodispositivos). También se ha empleado el término para designar sustancias biológicas empleadas en sistemas computacionales, como por ejemplo las memorias basadas en proteínas o la computación con ADN. (biocomputación).

  Micromatrices de material biológico: "Una microscópica serie ordenada de ácidos nucleicos, proteínas, moléculas pequeñas, células u otras substancias que permiten el análisis paralelo de muestras bioquímicas complejas". Todd Martinsky, 2000.

SISTEMA INTEGRADO DE LABORATORIO.

Permite un procesamiento automatico completo desde un panel de tests que es seleccionado de acuerdo al perfil que se desea analizar, realizando curvas de calibracion para los paneles de analitos. Simplemente se cargan los tubos primarios de muestras y se seleccionan los biochips pertinentes al analisis deseado y el resto del proceso sera realizado por el Sistema Integrado de Laboratorio. mas en Randox

Conceptos Generales sobre Biochips, visite INFOBIOCHIPS del Instituto de Salud Carlos III para ver la METODOLOGIA DE TRABAJO
Sobre Biochips y Bioinformatica visite este link

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El biochip y las nuevas tecnologías de la biomedicina sustituirán en un futuro a los diagnósticos basados en pruebas descriptivas, como los recuentos sanguíneos, la comprobación de temperatura corporal y el examen de los síntomas. Con el biochip es posible conseguir en poco tiempo abundante información genética -tanto del individuo como del agente patógeno-,  que permitirá elaborar vacunas, medir las resistencias de las cepas de la tuberculosis a los antibióticos o identificar las mutaciones que experimentan algunos genes y que desempeñan un papel destacado en ciertas enfermedades tumorales, como el gen p53 en los cánceres de colon y de mama. En la actualidad, en Estados Unidos existen portadores del VIH, causante del SIDA, que reciben una combinación de fármacos basada en un análisis previo del genotipo del virus. Durante el VII Encuentro Internacional sobre el Proyecto Genoma Humano, que se celebra Valencia, se puso de manifiesto que el objetivo que  se pretende con estos pequeños artilugios es desarrollar técnicas que permitan detectar cualquier enfermedad a partir de una simple gota de sangre.
  En la reunión científica, organizada por la Universidad Internacional Menéndez Pelayo (UIMP) con el apoyo de la Fundación BBV, se subrayó que las predicciones que suministrarán los biochips serán muy fiables. Así, en pocos años, se podrá calcular el riesgo de padecer enfermedades coronarias a los 55 años o Alzheimer a los 75.
   El funcionamiento de estos dispositivos es sencillo. Un chip de ADN, también llamado array, consta de una lámina delgada en cuya superficie se hacen orificios diminutos que se colocan de forma ordenada. Los agujeros se rellenan con fragmentos de ADN (oligonucleóticos), cuya secuencia se conoce de antemano. El material genético se marca con reactivos fluorescentes o con sustancias que permitan una lectura con láser. La reacción de la molécula control con cada uno de los oligonucleótidos hace factible apreciar, gracias a la fluorescencia emitida, si alguna secuencia responde a alguna anomalía. La suma de las distintas interacciones entre la molécula y las secuencias se mide de forma simultánea. Así las cosas, un investigador, en vez de comprobar los cambios fisiólogos gen por gen, puede revisar en un momento un grupo entero de genes.

LA BIOTECNOLOGIA ES LA ESPERANZA PARA UNA VACUNA CONTRA EL CANCER
Madrid,  (COLPISA, Antonio Paniagua)
La obtención de vacunas contra tumores cancerígenos, basada en la reparación de genes defectuosos o alterados, es una de las metas que persiguen los investigadores que hacen uso de las tecnologías más avanzadas en el campo de la biomedicina. La aplicación de los biochips, instrumentos que combinan la biología molecular con la informática, hará posible una atención clínica hecha a la medida de cada paciente, pues el tratamiento se administrará en función de las característica genéticas de cada individuo. Estas son algunas de las conclusiones que se expusieron en la jornada de hoy en el VII Encuentro Internacional sobre el Proyecto Genoma Humano, organizadas por la Universidad Internacional Menéndez Pelayo (UIMP).
 En el congreso, que se celebra en Valencia con el apoyo de la Fundación BBVA, se puso de manifiesto el sueño de elaborar fármacos capaces de curar enfermedades gracias a la identificación previa de genes relacionados con determinadas dolencias. John Weinstein, del Instituto Nacional del Cáncer de Estados Unidos, aseveró que el melanoma es un tipo de tumor que presenta menos dificultades a la hora de ser abordado mediante una vacuna génica, por cuanto es más fácil encontrar la diana terapéutica.
  Weinstein subrayó la importancia de conocer la naturaleza del gen p53, supresor de tumores, pero cuyas mutaciones dan lugar a múltiples formas de cáncer. El científico abogó por dirigir los estudios a la selección de células normales cuyo gen p53 ha experimentado mutaciones y  corregir a continuación el defecto. Según Norman P.Jerry, investigador del Departamento de Microbiología del Weill Medical College de la Universidad Cornell, de Estados Unidos, el p53 está implicado en la aparición del 60% de los cánceres humanos, y el restante 40%  tiene como agentes causales genes vecinos.
Abaratamiento de costes
 La industria farmacéutica es la más interesada en conseguir fármacos gracias al conocimiento de los genes responsables de las enfermedades. "Hacen falta entre 10 y 12 años y 500 millones de dólares para que una compañía saque al mercado un nuevo medicamento", dijo Weinstein. En este sentido, el uso de biochips reduce el número de moléculas candidatas a inactivar una función génica, con lo que se abaratan los costes. Se trata de un proceso diametralmente opuesto a la investigación propia de la década anterior. Por añadidura, la ciencia tenderá a escrutar el ADN, el ARN y moléculas en grandes cantidades, circunstancia que significa el nacimiento de una nueva disciplina, la ómica. Sus métodos contrastan con el estudio que se extiende durante un período prolongado de tiempo para desentrañar los secretos de un solo gen, práctica que se ha venido realizando hasta ahora. "Serán necesarias la sinergias entre la investigación tradicional, basada en hipótesis, y la investigación ómica", apuntó Weinstein
   "Sabemos que el 30% de las mujeres con cáncer de mama responderá satisfactoriamente al tratamiento, mientras que el otro 70% no lo hará de la forma deseable", señaló Weinstein. De ahí que conocer el funcionamiento genético de ese 30% es crucial.
 La biomedicina ampliará sus objetivos, de manera que se preocupará por el pronóstico de la enfermedad, su prevención prevenir y la elección del tratamiento más adecuado en los primeros estadíos.
 Michelle Roland, del Hospital General de San Francisco, adujo que los biochips y otras tecnologías revelan su eficacia en la medición de las resistencias que oponen los enfermos de Sida a los fármacos antirretrovirales. "Del 50% de los enfermos que en mi centro recibe tratamiento, la mitad de ellos, precisamente los primeros que accedieron en su día a los medicamentos antisida, presenta resistencias".

Mural
México.- (10/Dic./2002) El primer biochip desarrollado en México para detectar mutaciones en fragmentos específicos del ADN relacionados con diversas enfermedades como el cáncer y el dengue fue presentado ayer por un grupo multidisciplinario de científicos.

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Los estudiosos son del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Cinvestav, y del Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, CICATA, del Instituto Politécnico Nacional.
Este biochip tiene una especie de "plantilla" o "patrón" -llamado microarreglo genético- que permite comparar el ADN de una muestra de sangre de una persona con los genes causantes de una enfermedad.
"Las alteraciones de los genes o de la secuencia del ADN pueden tener efectos profundos sobre las funciones biológicas de las células, como ocurre en el caso del cáncer", señaló Patricio Gariglio, investigador del Departamento de Genética del Cinvestav y uno de los impulsores del proyecto. "Estas alteraciones son el corazón de los procesos fisiológicos de la enfermedad".
Este primer biochip ha sido diseñado para identificar los genes p53 y Rb del papilomavirus humano, vinculado directamente con el cáncer cérvico uterino, enfermedad que provoca el mayor número de muertes de mujeres cada año en el país, con cerca de 6 mil fallecimientos.
"En el mundo muere una mujer cada dos horas a causa de este tipo de cáncer", señaló Gariglio.
Esta tecnología permite no sólo analizar de forma simultánea un gran número de secuencias de ADN (de 5 a 10 mil muestras en 2 días), sino identificar de manera rápida y efectiva las variaciones y la expresión de los genes en muestras colocadas sobre una plantilla miniatura hecha por un robot computarizado, de forma similar a como se construyen los chips de las computadoras.
"Con el biochip se inmovilizan miles de secuencias de ADN en un portaobjetos de vidrio, que son comparados con las muestras biológicas de los enfermos", explicó José Luis Herrera, del CICATA.
En cada uno de los puntos del biochip marcado se tienen pequeñas fracciones de ADN que se comparan con una secuencia de las muestras y, si son complementarias, se muestran con un marcador fluorescente, visualizado a través de una computadora.
El biochip se puede diseñar con un número específico de secuencias oligonucleótidas que constituyen las mutaciones conocidas de genes causantes de enfermedades.
Dicho dispositivo también se puede aplicar en el estudio de otras enfermedades como el dengue o el sida, pues existen biochips preparados para detectar anticuerpos o virus causantes de otras enfermedades.
"Su aplicación a gran escala permitirá contar con una muestra completa de las mutaciones características de estos genes en la población mexicana y se podrá realizar el diagnóstico de la enfermedad en etapas tempranas", señaló Feliciano Sánchez Sinencio, investigador del Departamento de Física del Cinvestav y director del proyecto.
Este biochip se está probando con muestras biológicas del Hospital General de Puebla y existen planes para trabajar con el IMSS, el Instituto Nacional de Cancerología y el Hospital 20 de Noviembre del ISSSTE.
Actualmente, en Estados Unidos se venden biochips similares al desarrollado en México a un costo superior a los 600 dólares (6 mil pesos), mientras que el precio de la versión nacional es de 20 dólares (200 pesos) y se pretende reducirlo a un dólar.

Aspectos Tecnológicos

Nomenclatura y Clasificación

 Dado el auge que han tenido recientemente estas tecnologías se ha producido una gran diversificación tecnológica que ha derivado en la necesidad de establecer una nomenclatura y clasificación para estos dispositivos.

Los criterios de clasificación son muy variados, y abarcan conceptos desde la forma de fabricación, los materiales inmovilizados, etc….que se encuentran resumidos en la siguiente tabla:

En function de	Característica		Nomenclatura
Material inmovilizado	Oligonucleótidos		GeneChips
	cDNA´s		cDNA Array
	Proteínas		Protein Chips
	Tejidos		Tissue Chips
Diseño de la matriz	En Laboratorio / Arrayers	Stanford	Personalizados
		Empresas
	Industrial		Comerciales
Fabricación	Tamaño del punto		Micromatriz
			Macromatriz
	Generación de la sonda		"in situ"
			"Depositadas"
Soporte / Tipo de unión	No poroso / Covalente		Glass - Based
	Poroso / No covalente		Gel - Based
	Electrónico / electrostática		Electronic - Based

• Existe en la actualidad un nuevo tipo de aproximaciones para el desarrollo de este tipo de dispositivos en las que ya no se emplean micromatrices sino elementos individuales de distintas formas, tamaños y materiales que son los encargados de inmovilizar sobre sus superficies las sondas de material genético y que posteriormente son hibridados con las muestras. Estos nuevos dispositivos, pese a no ser matrices de material genético, pueden ser englobadas dentro de ellas por su finalidad y compartir parcialmente algunos de los conceptos básicos de las mismas (dispositivos miniaturizados, capaces de trabajar en paralelo).
• La diversidad en el desarrollo de técnicas de inmovilización de diferentes muestras ha permitido que hoy en día se pueda inmovilizar casi cualquier tipo de muestra biológica, esto ha conducido a una primera clasificación de estos dispositivos de forma clara, rápida e intuitiva.
• GeneChips, es un nombre comercial de Affymetrix que se aplica a los chips que llevan inmovilizadas sobre su superficie cadenas cortas de oligonucleótidos de entre 20 y 80 nucleótidos. Puede emplearse métodos de síntesis "in situ" de los oligonucleótidos o métodos de deposición.
• cDNA Arrays, chips en los que se inmovilizan cDNA´s por lo general sintetizados previamente y depositados sobre la superficie para su inmovilización.
•   Protein Chips inmovilizan sobre la superficie proteínas diversas
•  Tissue Chips, sobre la superficie de estos chips lo que se inmovilizan son pequeñas muestras de tejido para permitir el posterior análisis en paralelo de varias muestras o la realización de diferentes ensayos sobre una misma muestra.

La clasificación en función del diseño permite distinguir entre dos enfoques claramente diferenciados, uno comercial y otro más personalizado.

• Biochips "Comerciales": son aquellas soluciones en las que se adquieren los chips con el material inmovilizado y listos para su empleo. El diseño de los elementos del chips es realizado por la empresa. Para permitir la rentabilidad de su fabricación masiva las empresas inmovilizan conjuntos de material biológico que no siempre es  de utilidad y encarece la posibilidad de personalizar su diseño por parte del comprador. Su principal ventaja es que se adquieren listos para su empleo. El más claro ejemplo de este tipo de aproximación es la seguida por la empresa Affymetrix.
• Biochips "Personalizados " o "Home Made": son una segunda solución para la tecnología de biochips fundamentada en el diseño y fabricación por parte de los laboratorios de investigación  de sus propios chips, mediante unos dispositivos denominados "Arrayers". Los arrayers son generalmente robots capaces de depositar cantidades microscópicas de material biológico sobre la superficie del chip. Dentro de esta categoría se puede hacer una subdivisión en función del tipo de arrayer empleado, distinguiéndose la corriente de la Universidad de Stanford y P. Brown que aboga por la fabricación por parte de los grupos de sus propios robots y otra corriente liderada por las empresas dedicadas a la fabricación de robots comerciales para la fabricación de los chips.

La forma de fabricación es una importante herramienta para la clasificación de los biochips debido a las grandes diferencias de concepto existentes en este campo. Los dos principales criterios para la clasificación se fundamentan en el tamaño de los puntos que constituyen la matriz y en el lugar en el que se sintetiza u obtienen las sustancias biológicas que van a ser inmovilizadas y que se denominan sondas.

•    Micromatrices, este es un concepto íntimamente ligado a los biochips, el término micromatriz de material biológico es equivalente al de Biochip.
•  Las macromatrices no están incluidas dentro de los biochips debido al gran tamaño de los puntos. Son matrices de baja densidad de integración. Por lo general se han desarrollado sobre superficies porosas.
• In situ se refiere a los chips en los que se hacen crecer las cadenas, no muy largas y en general de ADN o PNA, sobre la superficie del chip.
•  Deposición, con este término nos referimos a la forma de fabricar chips en los que el material inmovilizado ha sido previamente sintetizado.

El soporte y el tipo de unión están íntimamente unidos, ya que la metodología de la inmovilización y el tipo de inmovilización que se origina dependerá del soporte sobre el cual se vayan a realizar los ensayos. Dentro de este apartado se pueden distinguir tres grandes rasgos diferenciales.

• Los chips "glass-based" son chips en los que el material se encuentra covalentemente inmovilizado a la superficie sólida que le sirve de soporte y que puede ser cristal o cualquier otra superficie como silicio, plástico u oro.
• Los chips "gel- based" son chips en los que las interacciones entre el material a inmovilizar y el soporte sólido de inmovilización no tiene carácter covalente. Los soportes más comúnmente empleados son pequeñas porciones de geles, o membranas porosas de nylon o nitrocelulosa presentes sobre portaobjetos de cristal.  
• Los chips "electronic – based" son chips construidos sobre electrodos en los que se llevan a cabo las reacciones. En este caso la inmovilización se produce mediante interacciones electrostáticas entre las moléculas a inmovilizar y los electrodos que constituyen el soporte.