Vida.exe: Desafíos y aventuras de la bioinformática

GERMÁN A. GONZÁLEZ,

LIONEL URAN LANDABURU

Y NICOLÁS PALOPOLI

(EDITORES)

VIDA.EXE

Desafíos y aventuras de la bioinformática

MARTÍN BANCHERO, JUAN PABLO BUSTAMANTE, ESTEBAN LANZAROTTI, R. GONZALO PARRA, MARÍA VICTORIA REVUELTA, NICOLÁS STOCCHI, ELIN TEPPA Y DIEGO JAVIER ZEA

¿De que modo la computación y la informática ampliaron y modificaron los conocimientos sobre las ciencias de la vida? ¿La bioinformática representa realmente una ruptura de paradigmas o es más de lo mismo con otro formato? ¿La matemática puede ayudarnos a entender cómo se propaga una epidemia y qué medidas se pueden tomar para detenerla? ¿El Proyecto Genoma Humano fue el fin de algo o apenas el principio? ¿El ser humano puede crear vida artificial? ¿Es posible diseñarla a través de una computadora? ¿Seremos eternos e inmortales con cuerpos artificiales y mentes digitales?

En Vida.exe, un grupo de jóvenes científicas y científicos cuentan cómo la revolución tecnológica impactó en la biología, explican el pasado de ese extraño centauro que es la bioinformática y lo usan de excusa para dar cuenta de cómo se trabaja actualmente desde la ciencia para intentar descifrar los enigmas de la vida.

Cuando contamos con suficiente información, no solo somos capaces de entender bastante sobre el funcionamiento de las moléculas, las células, los organismos y sus comunidades, sino también de predecirlo y replicarlo. Esto abre la puerta a prácticas que hace veinte años parecían de ciencia ficción, pero hoy son muy reales, como la biología sintética, la edición de genomas y la medicina personalizada. En un futuro muy próximo, la forma en que entenderemos la biología molecular, la agricultura y gran parte de la medicina estará inexorablemente atravesada por la bioinformática.

Entender cómo funcionan los seres vivos no solo es un fin en sí mismo, sino también una herramienta para mejorar nuestra vida y la de todas las especies que habitan el planeta.

Sobre los autores

GERMÁN A. GONZÁLEZ es licenciado en Bioinformática por la Universidad Nacional de Entre Ríos (UNER) y maestrando en Estadística Aplicada en la Universidad Nacional de Córdoba. Se desempeña como profesional adjunto del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). Se dedica al análisis de datos biológicos en diferentes escalas, desde lo molecular a lo ecológico.

LIONEL URAN LANDABURU es licenciado en Biotecnología y actualmente realiza su doctorado en el Laboratorio de Genómica y Bioinformática de Trypanosomátidos de la Universidad Nacional de San Martín, en el desarrollo de software para asistir al descubrimiento y la optimización de drogas para el tratamiento de distintas enfermedades infecciosas.

NICOLÁS PALOPOLI es licenciado en Biotecnología y doctor en Ciencias Básicas y Aplicadas por la Universidad Nacional de Quilmes (UNQ). Es docente universitario e investigador adjunto del CONICET. Se dedica al estudio de estructuras, interacciones y evolución de proteínas.

MARTÍN BANCHERO es licenciado en Ciencias Biológicas por la Universidad de Buenos Aires (UBA) y máster en Bioinformática y Biología de Sistemas por la Uva-VU Amsterdam. Actualmente realiza su doctorado en el campo de la inmunología sistémica.

JUAN PABLO BUSTAMANTE es licenciado en Bioinformática por la UNER y doctor de la UBA en el área de Química Biológica. Trabajó dos años en la empresa uBiome. Es profesor de la UNER y de la Universidad Austral e investigador asistente del CONICET. Lidera un equipo de investigación y desarrollo en el análisis de microbiomas humanos.

ESTEBAN LANZAROTTI es licenciado en Ciencias de la Computación y doctor en Química Biológica por la UBA. Se dedica al estudio de las interacciones entre proteínas. Es jefe de Trabajos Prácticos en la UBA.

R. GONZALO PARRA es licenciado en Bioinformática por la UNER y doctor en Química Biológica por la UBA. Actualmente, es investigador posdoctoral en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (Heidelberg, Alemania). Su experiencia incluye varias ramas de la bioinformática, como la regulación transcripcional, el plegado de proteínas y la transcriptómica de célula única.

MARÍA VICTORIA REVUELTA es licenciada y doctora en Ciencias Biológicas por la Universidad Nacional de Mar del Plata (UNMDP). Es investigadora posdoctoral en Weill Cornell Medicine (Nueva York) y actualmente trabaja en el análisis de datos de metabolómica, transcriptómica y epigenómica en tumores hematológicos.

NICOLÁS STOCCHI es licenciado en Ciencias Biológicas y doctorando en Biología por la UNMDP. Actualmente, es becario doctoral del CONICET. Se dedica al desarrollo de software para la anotación de superfamilias de proteínas y proteomas completos.

ELIN TEPPA es licenciada en Biotecnología y doctora en Ciencias Básicas y Aplicadas por la UNQ, y se convirtió en bioinformática durante el doctorado en el Instituto Leloir. Es investigadora del CONICET. Se dedica a estudiar evolución molecular y cómo los virus se hacen resistentes a las drogas.

DIEGO JAVIER ZEA es licenciado en Biotecnología y doctor en Ciencias Básicas y Aplicadas por la UNQ. Actualmente, es investigador posdoctoral en la Universidad de la Sorbona, Francia. Se dedica al estudio de la evolución y la estructura de proteínas.

Índice

Cubierta

Portada

Sobre este libro

Sobre los autores

Agradecimientos

Prólogo

I. Sopa de letras, por Germán A. González

II. Guía para escalar una montaña de datos, por Germán A. González

III. El árbol de la vida, por Germán A. González, Nicolás Stocchi y María Victoria Revuelta

IV. La vida secreta de las moléculas, por Juan Pablo Bustamante, R. Gonzalo Parra y Nicolás Palopoli

V. El mundo es un pañuelo, por Diego Javier Zea

VI. Sobre gallinas y engranajes, por R. Gonzalo Parra, Juan Pablo Bustamante y Nicolás Palopoli

VII. ¿Big bang? No, Bio bang, por Esteban Lanzarotti, Lionel Uran Landaburu y Martín Banchero

VIII. Diseñado para vos, por Germán A. González

IX. El genoma después del genoma, por Germán A. González y R. Gonzalo Parra

X. El poder de las masas, por Elin Teppa

XI. El rey desnudo y sin corona (virus), por Germán A. González

Epílogo

Créditos

Agradecimientos

QUEREMOS agradecer especialmente a RSG-Argentina, capítulo local de la asociación internacional de estudiantes en bioinformática (International Society for Computational Biology Student Council, ISCB-SC), de la cual formamos parte y desde donde surgió el proyecto de este libro.

Y a quienes participaron del primer boceto de este trabajo: Estefanía Mancini, Santiago Carmona, Alexander Monzón e Inti Pagnuco. Sin ellos, no existiría esta versión.

Aviso al lector: ante cualquier problema, mantenga la calma y presione Ctrl+Alt+Supr. Si eso no funciona, pruebe cerrar el libro y volver a abrirlo.

Prólogo

QUIENES escribimos este libro (todos modelo ochenta y pico, joya, nunca taxi) pertenecemos a la generación millennial, esa que, en general, no nació con una computadora bajo el brazo, sino que aprendió a usarla en la niñez o en la adolescencia. Conocemos cómo era la vida cuando la música se escuchaba en un walkman y para hacer planes con un amigo tenías que llamarlo al fijo, pero también nos adaptamos con facilidad al mundo digital e hiperconectado de las últimas décadas. Es muy probable que encontremos diferencias en la forma en que vivimos la revolución tecnológica si consultamos a una persona de la generación de nuestros padres (que llegaron más tarde al mundo digital) o de la que nos sigue (los nativos digitales). Sin embargo, todos estaremos de acuerdo en que la tecnología ha transformado de manera radical la forma en que vivimos y pensamos. Las ciencias en general, y las ciencias de la vida en particular, no han sido la excepción.

Para comprender la relación entre la biología y la tecnología, debemos remontarnos a un tiempo atrás. Si nos aventuramos a pensar en los orígenes de la biología (cuando todavía no se llamaba biología), nos vamos a encontrar con que los primeros acercamientos respondieron a la necesidad de conservar los grandes volúmenes de frutas y granos generados en el inicio de la agricultura, hace más de diez mil años. Más adelante, se desarrollaron procesos que utilizamos hasta hoy, como la fermentación para fabricar cerveza o pan. Bastante más tarde (alrededor del 2000 a. C.) comienza a tomar forma en diferentes puntos geográficos (Mesopotamia, China y Egipto) otra de las disciplinas de la ciencia de la vida: la medicina. En ese momento, estaba lejos aún de su forma actual y era una especie de mezcla entre la magia y una cierta ciencia racional. El cambio de paradigma llegaría a fines del Renacimiento europeo y comienzos de la Era Moderna (entre los siglos XVII y XVIII), cuando la biología se transformó en algo parecido a lo que estudiamos actualmente en escuelas y universidades. En este punto los biólogos (entonces denominados médicos, botánicos o naturalistas), sin buscar una aplicación inmediata del conocimiento, dedicaron sus obras a describir la vida con rigor científico.

Las ciencias de la vida se cristalizaron en manuales de anatomía, herbarios y bestiarios. Dichas obras fueron posibles gracias al desarrollo de mecanismos y aparatos que permitieron expandir los límites de lo conocido. Y, a su vez, este nuevo conocimiento llevó a producir mejores dispositivos. La indispensable sinergia entre ciencia y tecnología.

Recién con la llegada del siglo XIX, la biología se transformaría definitivamente en una ciencia moderna. En la misma época, dos grandes científicos trabajaban en paralelo para tratar de entender cómo se había diversificado la vida en nuestro planeta desde los primeros organismos formados por una sola célula hasta las aves, los mamíferos y los demás seres vivos que existen hoy.

Por un lado, Charles Darwin embarcaba a bordo del Beagle para su travesía por la costa atlántica de América del Sur. Por el otro, Alfred Wallace se encontraba en un periplo por el archipiélago malayo. Ninguno sabía en qué trabajaba el otro (¡faltaban casi doscientos años para que existieran las redes sociales!), lo que hace más maravilloso aún que hayan llegado a la misma conclusión. Esas ideas dieron lugar al paradigma de la evolución de las especies, que atravesó las ciencias de la vida desde entonces.

A esta altura, cabe preguntarse: ¿a qué viene tanto preámbulo?

El motivo de este breve repaso por la historia de las ciencias de la vida no es otro que el de mostrar las múltiples transformaciones que ha sufrido su razón y forma de estudio a lo largo del tiempo. La visión naturalista de hace dos siglos ha dado paso a otra manera de estudiar la biología más orientada hacia los datos. Este cambio de paradigma vuelve preponderante el rol de las tecnologías de la información, de las que la biología se nutre para formar esta nueva disciplina que es la bioinformática.

La bioinformática es el eje del libro, pero también, en cierto modo, es una excusa para contar cómo los científicos trabajan para intentar comprender los enigmas de la vida.

En las próximas páginas, analizaremos el recorrido que han realizado las ciencias de la vida hasta convertirse en ciencias de la información, asistidas por algunas disciplinas jóvenes (como la informática) y otras bastante veteranas (como la matemática). Veremos cómo este grupo heterogéneo de ciencias nos permite acercarnos un poquito más hacia la comprensión de algún aspecto puntual del funcionamiento de los seres vivos. Podemos explorar lo que pasa dentro de una célula con la simulación del movimiento de moléculas y sus interacciones desde la pantalla de la computadora. O estudiar cómo células de diferentes tipos se agrupan para formar un tejido y un órgano. Incluso podemos ir a una escala mucho más grande para analizar cómo la introducción de una especie exótica en un área natural puede disminuir las poblaciones de especies autóctonas.

A medida que crece nuestro conocimiento de los sistemas biológicos, se vuelve más factible uno de los argumentos clásicos de la ciencia ficción: ¿el ser humano puede crear vida? O, en este caso, ¿podemos diseñar la vida desde una computadora? Aunque parezca lejano, cada día estamos un poco más cerca de que esto sea factible (¡no lo intenten en sus casas!).

Trabajar con computadoras tiene una ventaja adicional: es relativamente barato cuando se lo compara con los costos de tener un laboratorio en funcionamiento. Durante el desarrollo de un nuevo medicamento, usualmente miles de compuestos candidatos quedan en el camino, porque no sirven para lo que deberían o tienen demasiados efectos adversos. Si cada uno de esos candidatos tuviera que probarse en el laboratorio, estaríamos hablando de una inversión de tiempo y dinero considerable, pero afortunadamente gran parte de las pruebas pueden realizarse en computadoras, para que solo los más prometedores lleguen a los ensayos preclínicos y clínicos.

En resumen, la bioinformática se ocupa de la creación de