En una década donde las tecnologías de la información y la biología avanzan a grandes pasos para responder las preguntas más complejas sobre la vida en el planeta, la bioinformática es una disciplina emergente que ha cobrado fuerza entre los investigadores mexicanos, y en la cual el CICESE ha producido logros destacados.

El objetivo principal de la bioinformática es lograr entender mejor las células y la manera en cómo funcionan a nivel molecular.

Desde 2002 el CICESE cuenta con un grupo pequeño en bioinformática y biocomputación que lidera el Dr. Carlos Alberto Brizuela Rodríguez, investigador del Departamento de Ciencias de la Computación, y en el que participan también el Dr. Israel Martínez, especialista en computación biomolecular, así como cuatro estudiantes de doctorado y cuatro de maestría.

El grupo se compone de ingenieros electrónicos, computólogos y matemáticos, y sus líneas de trabajo abarcan el desarrollo de nuevas herramientas computacionales que permiten profundizar en el conocimiento biológico, particularmente la predicción de las estructuras de las proteínas.

Para descifrar los misterios detrás de las proteínas y otras moléculas de interés biológico es necesario el análisis de grandes volúmenes de información biológica, que necesitan ser gestionados con técnicas bioinformáticas avanzadas para extraer conocimiento de utilidad que sirva a la investigación biológica y biomédica actual y futura, y a la práctica clínica con los datos obtenidos.

Actualmente se conocen cerca de 8 millones de secuencias de proteínas. Sin embargo, hay menos de 100 mil estructuras resueltas. La diferencia que hay entre la cantidad de secuencias conocidas y estructuras resueltas es gigantesca, y el resolver estructuras experimentalmente es muy costoso en tiempo y dinero lo que hace que la tasa de resolución de proteínas al año no llegue a 10 mil estructuras.

“A este ritmo nos tomaría siglos determinar todas las estructuras. Además existen proteínas como las de membrana que no se pueden cristalizar, por lo que el método tradicional de cristalografía con rayos X no se aplica en este caso. Por todo esto, la bioinformática de estructuras jugará en las próximas décadas un papel clave en la disminución de la brecha entre secuencias conocidas y estructuras resueltas,” dijo el investigador.

La forma en la que abordan su investigación es hacer un mapeo (mapping) de las cadenas de aminoácidos que conforman alguna proteína, para luego preguntarse cómo será la estructura tridimensional específica que adoptará dicha proteína. Ello es un problema biológico que no ha tenido solución en 40 años.

¿Y esto por qué es importante? Porque la función que realiza la proteína está estrechamente relacionada con su forma. Si los investigadores quieren explicar cómo se realizan las interacciones entre proteínas diferentes, o entre una proteína y un medicamento, o entre proteína y ADN, entonces es preciso conocer la estructura tridimensional.

Así por ejemplo, es bien sabido que la tetraciclina (antibiótico) inhibe la síntesis de proteínas en la bacteria, previniendo la asociación del ARN de tranferencia con el ribosoma, deteniendo así su crecimiento y, por lo tanto, la infección, sin afectar el mismo mecanismo en la célula del huésped infectado. De esta forma, al conocer mecanismos de interacción que sean específicos de la bacteria se pueden diseñar fármacos que los ataquen; por ello será de enorme valor conocer las estructuras de las proteínas involucradas en cada proceso.

“Un especialista importante es el técnico bioinformático, quién analiza enormes cúmulos de datos obtenidos en laboratorios del mundo y extrae y presenta a los biólogos patrones que encuentra para su interpretación desde la biología, extracción que sería imposible de realizarse de manera manual,”

Dos tesis de maestría realizadas en el CICESE por David Omar Rodríguez e Ivetth Corona, y una tercera en la Universidad Nacional de Asunción (UNA) por Cristian Lezcano, todas ellas dirigidas por el Dr. Brizuela Rodríguez, demostraron que se puede llegar a una precisión de hasta 97 por ciento en predecir estructuras de proteínas con sistemas informáticos mediante el método conocido como empaquetamiento de la cadena lateral en proteínas.

La precisión de predicción de este método era de hasta 85 por ciento, pero las investigaciones en el CICESE han permitido establecer que la función de energía de la proteína es la clave en el proceso de predicción del empaquetamiento, por lo que actualmente tratan de abordar este aspecto para casos específicos.

Brizuela Rodríguez agregó que la bioinformática también será clave para apoyar el desarrollo de otros proyectos del CICESE en metagenómica y biología experimental. Cabe destacar que la División de Biología Experimental y Aplicada acaba de contratar a tres investigadores con amplia experiencia en bioinformática, lo que detonará sin lugar a dudas el desarrollo de esta especialidad en el centro.

En el futuro inmediato el Dr. Brizuela y su grupo de investigación se enfocarán en consolidar el trabajo multidisciplinario con los biólogos del CICESE, sobre todo en el procesado de información para encontrar patrones que les sean de utilidad a los biólogos, como el diseño de proteínas y péptidos, para probarlos aquí mismo en el centro de investigación.

Pie de fotografías 1. Dr. Carlos Brizuela Rodríguez, investigador del Departamento de Ciencias de la Computación del CICESE. 2. La imagen corresponde a dos estructuras de proteínas: una es la proteína original 1NPK que está representada por la superficie envolvente; la otra es la estructura predicha por el algoritmo desarrollado por un estudiante del CICESE y está indicado por el diagrama de líneas que se ve dentro de la envoltura. Una predicción ideal sería que todas las líneas estén dentro de la envoltura, pero como se indica con la flecha roja hay una línea que se escapa y evidencia un pequeñísimo error.