Diseña estudiante de Coahuila sistema bioinformático
Por Felipe Sánchez Banda
Saltillo, Coahuila. 27 de mayo de 2016 (Agencia Informativa Conacyt).- Ernesto Ríos Willars, estudiante del doctorado en biotecnología de la Facultad de Ciencias Químicas (FCQ) de la Universidad Autónoma de Coahuila (Uadec), diseña un sistema bioinformático para el alineamiento de grandes secuencias genéticas.
Con apoyo de los cuerpos académicos de la Facultad de Sistemas, unidad Saltillo, y biotecnología de la Facultad de Ciencias Químicas de la Uadec, el maestro Ríos Willars realiza este trabajo conjunto que ayudará a estudiar genomas virales, desde el punto de vista bioinformático, y podría llevar a la generación de nuevo conocimiento que permita el desarrollo de fármacos modernos para disminuir problemas y amenazas a la salud humana.
El proyecto tuvo su origen como una tesis para obtener el grado de maestría en informática con acentuación en sistemas de información de la Facultad de Sistemas de la Uadec. Durante un foro organizado por el Consejo Estatal de Ciencia y Tecnología de Coahuila (Coecyt), se presentó el trabajo de investigación y ahí se realizó el contacto entre el doctor Ernesto Liñán García, coordinador del cuerpo académico de Modelo de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Facultad de Sistemas, y el Departamento de Biotecnología de la Facultad de Ciencias Químicas de la Uadec, a través de la doctora Yolanda Garza García, coordinadora de Investigación y Posgrado de la FCQ.
Sistema híbrido
GAAPd es denominado por sus creadores como un “híbrido” entre un algoritmo genético y la programación dinámica, utilizando el operador denominado shake. GAAPd tiene como principales innovaciones enfocarse en alinear secuencias particularmente grandes y el operador shake o “cambio de escenario”, es una innovación desarrollada en este proyecto como estrategia para evitar el estancamiento del algoritmo en un óptimo local.
Dra. Yolanda Garza García, M. C. Ernesto Ríos Willars, Dr. Ernesto Liñán García.“Existen otros algoritmos que hacen el trabajo de alineamiento de secuencias; sin embargo, el hecho que lo enfoquemos a alinear secuencias particularmente grandes es la primera innovación”, explicó el maestro en ciencias Ernesto Ríos Willars.
La unión de estos dos elementos generó un software aplicado al problema del alineamiento de secuencias genéticas del orden de los cientos de miles de pares de bases.
Shake consiste en que, durante la búsqueda y exploración del enorme espacio de soluciones potenciales, los parámetros que determinan la interacción entre los individuos de una población potencial cambian dinámicamente sin detener la búsqueda. Esto ha demostrado una mejora en los resultados y en el desempeño del algoritmo y alineamiento de secuencias.
“Es un trabajo de investigación y desarrollo, consiste en la implementación de una estrategia bioinspirada para el alineamiento de secuencias genéticas, particularmente lo estamos enfocando en el reto de alinear secuencias genéticas grandes, en el orden de los miles o millones de pares de base”, puntualizó Ríos Willars.
Para este proyecto, Ríos Willars usó lenguajes de programación de código abierto y equipo de cómputo convencional, lo que permitieron un algoritmo capaz de resolver complejos problemas de alineamiento de secuencias genéticas sin la necesidad de software y hardware especializados.
Bioinformática: herramienta esencial
El alineamiento de secuencias genéticas es uno de los principales retos de la bioinformática, ya que suele ser uno de los pasos iniciales en estudios in silico, es decir hechos en simulación computacional. De acuerdo con información técnica del proyecto, con el resultado de un alineamiento de secuencias genéticas se explora la filogenia y se encuentran regiones conservadas entre genomas y genes de organismos. Por esto es determinante la eficiencia de los algoritmos empleados en esta área de estudio.
Este trabajo contribuye de manera significativa a incrementar las estrategias de solución y a la generación de conocimiento, según la doctora Yolanda Garza García.
La investigadora expuso que, desde el punto de vista biotecnológico, el ADN (ácido desoxirribonucleico) ha generado una enorme cantidad de conocimientos cada vez más profundos, se obtiene información cada vez más globalizada que no ha podido ser analizada por técnicas bioquímicas tradicionales y se ha tenido que recurrir a la informática para tener una visión integral de los procesos biológicos que incluso ha originado los nuevos conceptos.
“La bioinformática es una herramienta fundamental interdisciplinaria que nos permite manejar y analizar grandes cantidades de datos biológicos. El reto que tenemos es generar conocimiento a partir de ese enorme volumen de información disponible que reflejará de manera profunda e integral el estado fisiológico de los seres vivos multicelulares”, puntualizó la doctora Garza García.
En tanto, desde las ciencias de la computación, el doctor Liñán García, profesor investigador de la Facultad de Sistemas de la Uadec, resalta la importancia de la creación de algoritmos que pueden resolver problemas en específico, pero tienen potencial para resolver otro tipo de conflictos como ocurre con este proyecto.
“La aportación es básicamente el diseño de algoritmo que sirve para un problema, pero a su vez puede servir para otros problemas y quizás otros investigadores lo apliquen para resolver diferentes dificultades, por ejemplo el ruteo de vehículos que es un problema de logística”.
El investigador destaca la vinculación entre la biotecnología e informática como un importante paso para el progreso de ambas ciencias; por un lado, propiciando un mayor análisis de información biológica y, por el otro, aplicaciones surgidas a partir de la informática para el avance científico.
“Estamos considerando información del área de biotecnología, tiene mucha información, hay bases de datos de secuencias y se requiere hacer un procedimiento, un avance en la información de las secuencias, ahí está la importancia, en aplicar la informática para análisis de la información genómica”, puntualizó Liñán García.
Resultados y futuro del proyecto
El estudio de genomas virales desde el punto de vista bioinformático puede llevar a la generación de nuevo conocimiento que permita el desarrollo de fármacos modernos para disminuir problemas y amenazas a la salud humana.
Hasta el momento, el proyecto ha encontrado que las diversas herramientas bioinformáticas online tienen como límite de trabajo algunos miles de pares de bases de longitud en el alineamiento. En el caso de GAAPd, es capaz de trabajar con secuencias del orden de los 150 mil pares de bases, con lo que se ha podido generar alineamientos de genomas virales completos como es el caso de cepas del herpes y las secuencias conocidas del zika.
“En el futuro contemplamos aplicar el algoritmo para el estudio de virus gigantes, lo visualizamos como la posibilidad de generar conocimiento que permita comprender el funcionamiento de estos virus que, en buena parte, son hasta ahora desconocidos”, informó el maestro en ciencias Ríos Willars. Algunos de estos resultados del trabajo se han publicado en la revista Komputer Sapiens.
Los asesores de este proyecto de investigación también prevén múltiples aplicaciones desde sus diversas áreas de estudio y la bioinformática. “Veo como futuro de este proyecto crear herramientas de software y dejarlas a disposición del público en general y científicos que accedan a las herramientas en web para que se puedan comparar genomas”, comentó el doctor Liñán García.
La doctora Garza García desea que el desarrollo trascienda, sea apoyado y no quede solo en un trabajo de investigación para obtener un grado académico.
“Desearía que este proyecto llegara hasta su elaboración, instalación y aplicación en diversos campos, tales como la salud humana, ecología microbiana, microbiología ambiental, química de los ácidos nucleicos, taxonomía y fitogenética, por mencionar algunos”, especificó la investigadora.
Tanto el maestro en ciencias Ernesto Ríos Willars como los doctores Yolanda Garza García y Ernesto Liñán García, invitan a personas interesadas en el tema de la bioinformática a participar como colaboradores para enriquecer el proyecto.
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M.C. Ernesto Ríos Willars Dra. Yolanda Garza García Dr. Ernesto Liñan García |
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