Metabolismo y evolución con modelos matemáticos
Por Marytere Narváez
Mérida, Yucatán. 18 de octubre de 2016 (Agencia Informativa Conacyt).- Abstraer los elementos básicos que definen la vida a través de la modelación matemática es el objetivo de Gerardo Mendizábal Ruiz, profesor investigador en el Departamento de Ciencias Computacionales de la Universidad de Guadalajara (UDG), quien presentó su trabajo reciente en el Congreso Nacional de Ingeniería Biomédica (CNIB) en la ciudad de Mérida, Yucatán.
“Lo que tratamos de hacer son modelos matemáticos que nos permitan hacer simulaciones de lo que ocurre en los ecosistemas. No estamos tratando de orientarnos particularmente a una especie, sino que estamos tratando de encontrar los mecanismos que rigen los procesos de la vida”, señaló en entrevista con la Agencia Informativa Conacyt.
A lo largo de los últimos ocho meses, Gerardo Mendizábal Ruiz, doctor en ciencias con especialidad en computación, y Alejandro Morales Valencia, doctor en genética humana, trabajan en la modelación matemática de dos componentes básicos de la vida: el metabolismo y la evolución.
Componentes de la vida: metabolismo y evolución
De acuerdo con Mendizábal Ruiz, adscrito con nivel candidato al Sistema Nacional de Investigadores (SNI), a través del metabolismo todo ser vivo toma productos y energía del medio, los procesa y de esto obtiene bloques para construirse a sí mismo, para moverse, reproducirse, interactuar con el medio y, todo lo que no fue utilizado, lo regresa.
“Todo lo que regresa al medio puede ser o no utilizado por otras entidades, es decir, los desechos de una especie pueden ser el alimento de otra. Esas interacciones crean un ecosistema y en un nivel donde tenemos más de estos individuos se crea un ecosistema muy complejo”, señaló.
Dr. Gerardo Mendizábal Ruiz.Para los investigadores, estas interacciones son las que generan organismos complejos que representan la vida. “Sabemos que a través de miles de años, la vida en la Tierra se ha diversificado gracias al fenómeno en el que las entidades cambian poco a poco y se recombinan con otras para crear nuevas entidades”, comentó.
En palabras de Mendizábal Ruiz, estos comportamientos pueden observarse más allá de la biología, por ejemplo, en la evolución de la música, donde ciertas corrientes influencian a compositores, que procesan elementos de estas y los recombinan en una nueva forma musical.
“Esto sucede en diferentes aspectos donde intervienen los seres vivos. Nosotros creemos que podemos hacer un modelado matemático de esto y, al mismo tiempo, hacer simulaciones”, apuntó.
Búsqueda de vida a través de la computadora
El éxito de los algoritmos basados en el comportamiento biológico, como son los algoritmos genéticos y las estrategias evolutivas, ha sido la inspiración de Mendizábal Ruiz para iniciar su investigación en este campo científico.
“En nuestros modelos no queremos reinventar operadores (de mutación, de cruza, etcétera) que ya existen y se han demostrado en estos algoritmos bioinspirados. Lo que pretendemos es adoptarlos para hacer que nuestros modelos metabólicos vayan evolucionando. Es integrar todo esto en un área nueva que es la de la vida artificial”, comentó.
Actualmente, el proyecto busca explorar preguntas fundamentales acerca de la vida a través de las computadoras. Con las herramientas de cómputo de alto rendimiento, es posible realizar simulaciones de modelos matemáticos de la forma en que los individuos podrían interactuar con un medio artificial definido por los investigadores, así como evolucionar e interactuar con otros elementos simulados en el interior de una computadora, de tal manera que en algún momento se genere un medio como la vida.
“Si observamos comportamientos particulares que se asemejen a lo que nosotros vemos en los organismos vivos, será un momento interesante porque vamos a preguntarnos '¿esto está vivo?' y eso es algo que todavía no sabemos. La hipótesis es que esto va a suceder, pero hay un largo camino que recorrer para llegar ahí. Tal vez la pregunta filosófica será '¿desconecto la computadora o no?'”, señaló.
Aplicaciones futuras
Además de la caracterización de los mecanismos del metabolismo y la evolución, una de las aplicaciones futuras de esta línea de investigación es en la clasificación de imágenes.
Los modelos metabólicos tienen la posibilidad de asimilar los patrones que existen dentro de una imagen, por ejemplo, de un tumor cancerígeno. De esta forma, se alimentan de estos patrones y, al metabolizarlos, pueden encontrar un medio de subsistencia, reproducción, evolución y prosperidad como especie.
“La idea es que estos que vivieron en un ambiente donde se alimentaban de patrones de imágenes donde había cáncer ya son expertos en el tema, y si los suelto en alguna otra imagen de la misma modalidad en la que quiero detectar dónde hay una afectación de cáncer, en el sitio en el que los encuentre después de algún tiempo es la región que yo estoy buscando”, apuntó.
Esta forma de clasificación es similar al uso de determinadas especies como marcadores biológicos, pero a partir de los modelos matemáticos se busca llevarlo a cabo de manera computacional.
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