Relación entre la biología y la
Informática
- ¿Qué es
bioinformática? - El Proyecto Genoma
Humano - Genómica funcional – La
Era Post-Genómica - Conceptos
Generales - Definiciones
- Desarrollo del
BIOCHIP. - Sistema integrado de
laboratorio. - La biotecnología es la
esperanza para una vacuna contra el
cáncer - Mural
- Aspectos
Tecnológicos - Metodología de
Trabajo - Técnicas
y Métodos de Fabricación - Revelado
- Labchips
- Bioinformática
Asociada - Software
- Bases de Datos para
Biochips - Iniciativas de
Estandarización - Aplicaciones
- Ventajas
- Limitaciones
- Aspectos de
Mercado - Patentes
- 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
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.
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.
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.
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:
- 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. - Detección de mutaciones y polimorfismos:
Permite el estudio de todos los posibles polimorfismos y la
detección de mutaciones en genes complejos. - 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. - Diagnóstico clínico y detección
de microorganismos: Posibilitan la identificación
rápida empleando unos marcadores genéticos de los
patógenos. - 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. - Seguimiento de terapia: los biochips permiten valorar
rasgos genéticos que pueden tener incidencia en la
respuesta a una terapia. - 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
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
Articulos sobre Biochips:
Motorola y Packard unen fuerzas para crear un
Biochip
Biochips para conocer el genoma de una persona.
GENOMA – EL BIOCHIP SUSTITUIRA LOS DIAGNOSTICOS TRADICIONALES DE
ALGUNAS ENFERMEDADES
Un Biochip para el diagnostico del Cancer
EL BIOCHIP SUSTITUIRA LOS DIAGNOSTICOS
TRADICIONALES DE ALGUNAS ENFERMEDADES
La promesa del biochip
Un biochip predecirá la respuesta a la
terapia en cáncer ginecológico
Hospitales estadounidenses aplican 'biochips' en
ensayos clínicos contra el cáncer
y el sida
Llega la revolución
genómica
Las nuevas técnicas aceleran el proceso de
diagnóstico genético
Noticias de Prensa del
Oncochip CNIO
La utilización de biochips se extiende a
la detección de péptidos y proteínas.
¿ Y después de tener
secuenciado el genoma ¿qué falta por hacer?
La industria del
ADN tiene preparados los 'biochips' que revolucionarán la
medicina
Aplicaciones de los Biochips en
tecnicas forenses
Biochips: Mezclando Biología y
Microelectrónica.
Por Hank Hogan
Química sin tubos de ensayo Por
Leonardo Moledo
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.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
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.
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 | Característica | Nomenclatura | |
cDNA´s | |||
Proteínas | |||
Tejidos | |||
En Laboratorio / | Stanford | ||
Empresas | |||
Industrial | |||
Tamaño del | |||
Generación de la | |||
No poroso / | |||
Poroso / No | |||
Electrónico / |
- 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.
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