Esta entrada participa en la edición XXVI del Carnaval de Biología cuyo blog anfitrión es La Rueda de los Inventos. En esta ocasión, la temática es “Biología para todos los Públicos”, espero este post sea de su agrado.

Cuando escuchas hablar acerca de ‘Seres vivos’ probablemente lo primero que te viene a la mente son los animales y personas que te rodean o que te son más familiares, quizás pienses en tus mascotas (Un perro, un gato, un hámster, un canario, peces, etc.), o lo animales en el zoológico, o en humanos, tales como tus padres o amigos. Piensa en ello un poco más y te darás cuenta de que las plantas están vivas también. Piensa en el árbol que más te gusta escalar o las hojas que caen en el otoño. Piensa también en todo lo inerte que te rodea, objetos sin vida que ves todos los días, y originalmente, tenían vida. Por ejemplo, la madera de tu mesa la vino de un árbol, al igual que el papel con el que se imprimen tus libros o revistas favoritos, los hilos de seda pura en la corbata de tu papá o en el vestido de tu mamá, hilados por orugas de las polillas de seda, la lana de tu abrigo de invierno que alguna vez ayudo a una oveja a permanecer caliente, o el carbón que utilizamos en las carnes asadas, que también tiene su origen en árboles de helechos gigantes que existieron hace millones de años, mismos que desaparecieron cuando el clima de la Tierra cambió.

Esas son probablemente los seres vivos que primero vienen a tu mente, pero, hay otros miles de organismos vivos en la tierra, en el aire y en el agua. Veamos un ejemplo, con una jarra transparente, toma agua de un estanque, y observa en su interior. Podrás ver pequeños animales acuáticos moviéndose rápidamente, pero, hay otros organismos allí, que no puedes ver, porque son demasiado pequeños para ser visibles al “ojo desnudo”, o dicho de otra manera, a simple vista. Para poderlos ver, se necesita un microscopio. Con su ayuda, serás capaz de ver a organismos que no sospechabas estaban presentes en el agua, en función a su naturaleza. Afortunadamente, existen microscopios disponibles en las tiendas departamentales, con los cuales podrías empezar a estudiar el ambiente que te rodea, y del que normalmente no te percatas.

¿Qué necesitas? Bueno, lo primero es tener un microscopio, el cual, si lo cuidas, te durará mucho tiempo, es la herramienta básica y la más importante en la exploración de la naturaleza de la vida. Gracias a él, podrás observar las estructuras más simples en las que está compuesta la vida, te abrirá a nuevos mundos, y tendrás experiencias emocionantes, además, será necesario que tengas material de soporte (Porta y cubre objetos), en los que colocarás los especímenes a observar. Pero ¿Qué es un espécimen? El espécimen es aquello que colocas en el portaobjetos. ¿Dónde los vas a recolectar? Es una tarea simple y sencilla, todos están a tu alrededor, solo necesitas caminar en tu casa o en tu jardín para recolectarlos y estudiarlos. Una vez que los tengas, podrás iniciar tus fascinantes exploraciones.

Uso del microscopio

Antes de iniciar tu aventura en el mundo de los seres vivientes, necesitas una habilidad importante, saber cómo utilizar tu microscopio rápida y correctamente. No importa el tipo de microscopio que poseas, regularmente, lucen como el de la imagen a continuación:

Es importante que conozcas las partes que conforman tu microscopio, y el uso de cada una de ellas. Es una buena idea recurrir a la ilustración mientras lees las instrucciones. Siempre carga tu microscopio sosteniéndolo de la Columna con una mano, y con la otra, sostén el pie. Colócalo con cuidado en una superficie firme, lo más cercano posible a una ventana, si esta opción no es viable, entonces colócalo cerca de una fuente cercana de luz artificial. Cuando estés listo para operar tu microscopio, alinea el Revólver Portaobjetivos para utilizar el de menor aumento, cuando esté alineado escucharás un ‘clic’. Ahora, mueve el espejo hasta que ‘capture’ la luz y la puedas dirigir a través del Diafragma y el Tubo Óptico, para percatarte de que fue exitoso, observarás una luz en el Ocular. ¿Ya la observaste? Excelente, ahora tu microscopio está listo para que comiences tus investigaciones.

¿Qué sigue? Ah, es simple, coloca tu portaobjetos en el centro de la Platina, dejando la muestra directamente sobre la luz que ves pasar por el diafragma. Con el Tornillo Macrométrico has que descienda el Revolver Portaobjetivos hasta que esté casi en contacto con tu muestra, posteriormente, coloca tu ojo en el Ocular, y con ayuda de los Tornillos Macrométrico y Micrométrico ve realizando ajustes, podrás ir observando como la muestra se va haciendo cada vez más clara.

Una vez que el espécimen ha sido enfocado, podrás utilizar el Revólver Portaobjetivos para ‘magnificar’ la visión de tu muestra, por lo que podrás observar más detalles. Práctica varias veces con tu microscopio para que puedas coordinar de mejor manera los movimientos de todas sus partes, un buen espécimen para practicar es un pequeño fragmento del periódico. Como parte de tus actividades iniciales de investigación, trata de observar un cabello, algodón, la capa externa de una cebolla (La más delgada), escamas de peces (Estas trata de conseguirlas cuando vayan a la pescadería, que te proporcionen la ‘piel’ y que te ayuden en casa a lavarla y a proporcionarte una pieza pequeña, suficiente para él portaobjetos), y una gota de saliva, te aseguro que encontrarás tus observaciones fascinantes.

Tal como Lederberg observó, la relación microbio-huésped es un equilibrio dinámico. Los cambios fisiológicos o genéticos en cualquiera de las partes, podría solicitar microbios comensales para invadir los tejidos de su huésped, desencadenando una respuesta inmune que destruye a los invasores, pero también puede dañar o matar al huésped. A medida que exploran este proceso desde la perspectiva de patógeno y huésped, los ponentes en las conferencias, proponen una variedad de posibles vías de evolución de las relaciones huésped-microbio que subyacen las enfermedades infecciosas.

Stanley Falkow, de la Universidad de Stanford, considera la naturaleza de la patogenia bacteriana, ya que ha sido visto históricamente y, según lo revelado por sus investigaciones y la de sus colegas en la misma universidad. Él explica cómo los principales descubrimientos – Comenzando con el trabajo fundamental de Lederberg sobre genética bacteriana – forman el campo en desarrollo de la biología molecular y más concretamente, cerca de 50 años de investigación de Falkow sobre la base genética de la patogenicidad bacteriana.

Utilizando las herramientas de genética molecular para estudiar Salmonella, Falkow y colaboradores han observado como las bacterias manipulan las funciones de la célula huésped, como la transferencia genética horizontal forman patógenos especializados, y como las islas de patógenos heredados transforman a las bacterias comensales en patógenos. Después de haber analizado el genoma de la Salmonella para los genes que son asociados con diferentes etapas de una infección con una estrategia de selección basada en micromatrices, se han identificado muchos genes patógenos expresados en el proceso de múltiples etapas de la invasión del huésped. Utilizando un Mouse Model, también se han identificado genes del huésped y las vías de genes expresados en respuesta a la infección por Salmonella.

Falkow también considera la importancia de los microbios a los que se refiere como “Patógenos comensales” (Por ejemplo, Streptococcus pneumoniae, Neisseria meningitides, Haemophilus influenzae tipo b, Streptococcus pyogenes) que normalmente habitan en la nasofaringe humana, sin síntomas, pero en ocasiones causan enfermedades. Su existencia plantea una serie de cuestiones científicas sobre la relación entre la patogenicidad microbiana, enfermedades infecciosas, inmunológicas, cuestiones que, según sus argumentos, deben ser abordados mediante el estudio de la patogenicidad microbiana como un fenómeno biológico, y no solo desde la perspectiva de su papel en la que causa la enfermedad.

Bruce Levin considera que la respuesta del huésped a la virulencia microbiana, no se corresponde con los modelos evolutivos simples. Ellos examinan por qué las bacterias dañan a los anfitriones (Principalmente humanos) dado que los necesitan para su supervivencia, ofreciendo evidencia. Estas deficiencias inmunológicas incluyen responder con más vigor que el necesario, como ocurre en la sepsis bacteriana, responder inadecuadamente a un patógeno, como ocurre con la lepra lepromatosa, o responder a las señales erróneas, como ocurre en el síndrome de choque tóxico. Levin explora estos y otros ejemplos de la “perversidad del sistema inmune” y considera este punto de vista a la luz de las diversas hipótesis actuales sobre la evolución de la virulencia bacteriana. Ofrece también posibles explicaciones de porque la selección natural no ha atemperado la sobre-respuesta inmune a las infecciones bacterianas y discute las implicaciones de su perspectiva de la respuesta del anfitrión sobre la virulencia para el tratamiento de las infecciones bacterianas.

Les dejo la bibliografía, por si quieren ampliar su acervo con respecto a estos tópicos, lo presentado con anterioridad es un muy pequeño resumen de los textos en los que está extraída de la información.

Esta entrada participa en el Carnaval de Biología Edición Especial Micro-BioCarnaval, que se hospeda en esta ocasión en el blog Microgaia, gestionado por Raven_Neo.

Referencias

Replica Plating and Indirect Selection of Bacterial Mutants
Joshua Lederberg & Esther Lederberg

Bacteria and Viruses
Thomas Peggy

Evolution and Genetics
Britannica Illustrated Science Library

Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology

Molecular Genetics, Recombinant DNA & Genomic Technology
Dr. Abdulla Bashein

Human Molecular Genetics
Tom Strachan and Andrew Read

Prolonged Inhibition of Bacterial Protein Synthesis Abolishes Salmonella Invasion
Kyle J. Macbeth & Catherine A. Lee

Host Restriction Phenotypes of Salmonella typhi and Salmonella gallinarum
Lisa Pascopella, Bärbel Raupach, Nafisa Ghori, Denise Monack, Stanley Falkow & PLC Small.

Recipient Ability of Salmonella Typhosa in Genetic Crosses witn Escherichia Coli.
EM Johnson, Stanley Falkow & LS Baron.

Of Mice and Men – Are mice relevant models for human disease?
Outcomes of the European Commission

Salmonella pathogenicity islands: big virulence in small packages
Sandra L. Marcus, John H. Brumell, Cheryl G. Pfeifer, B. Brett Finlay

Virulence factors and their mechanisms of action: the view from a damage-response framework
Arturo Casedevall and Liise-Anne Pirofski

Host-Pathogen Interactions: Redefining the Basic Concepts of Virulence and Pathogenicity
Arturo Casedevall and Liise-Anne Pirofski

Host-Pathogen Interactions: The Attributes of Virulence
Arturo Casedevall and Liise-Anne Pirofski

Epidemiology, Hypermutation, Whithin-host Evolution and the Virulence of Neisseria meningitides
Lauren Aneel Meyers, Bruce R. Levin, Anthony R. Richardson and Igor Stojiljkovic

En esta emisión platicamos sobre La revolución Científica, dividiéndola en dos etapas, la iniciada por Copérnico y concluida por Darwin

Pueden descargar el podcast desde aquí, o pueden escucharlo en el playlist desplegado en la columna derecha de la página. Este podcast participa en la edición XXII del Carnaval de Biología, que se hospeda en esta ocasión en el blog Consultoría y Educación Ambiental. Quedo a la espera de su retroalimentación.

Pues si, al fin está aquí el resumen de la Edición XXI del prestigiado Carnaval de Biología, pero hasta el día de hoy pude terminar el resumen de todas las entradas participantes, espero que lo hayan disfrutado.

Sin más preámbulos, he aquí todas las entradas participantes:

– Headnet 2.01, en La Enciclopedia Galáctica. En este podcast se da una plática introductoria sobre la Evolución.

– Manuel Sánchez, del Podcast del Microbio, en dos podcast (Parte 1; Parte 2) nos ofrece una explicación de cómo pudo haber evolucionado el retrovirus conocido como VIS (Virus de la Inmunodeficiencia Simia) a lo que hoy conocemos como VIH (Virus de la Inmunodeficiencia Humana).

– JM Mulet, de Los Productos Naturales ¡Vaya Timo! nos trajo “Los peligros del virus 35S, una leyenda urbana“, en donde nos explica bases de genética, así como información sobre alimentos transgénicos.

– Carlos Lobato (aka Biogeocarlos), de La Ciencia de la Vida, escribió sobre “El Día de Darwin 2013“, esta entrada fue publicada el doce de febrero, fecha en la que también nació Charles Darwin. En esta aportación, nos trae imágenes de este naturalista inglés, como un homenaje póstumo a quien nos abrió las puertas al fértil y vasto terreno de la evolución.

– Aitor Santisteban, de Abaritzeta, nos trae una delicia culinaria (Créanme, ya lo probé y es deliciosa, el tiempo de preparación bien vale la pena) en la entrada “Historia ‘Natural’ de la Puchera Ferroviaria“, en este artículo, Aitor nos presenta la historia del Ferrocarril de la Robla, y como esta influye en este platillo (Incluye la receta y el contenido nutrimental, por cierto).

– Consultoría y Educación Ambiental nos explico el término “Cuellos de Botella” pero aplicado a la evolución, he de confesar que solo lo conocía en los procesos de manufactura.

– Aitor Santisteban, de Abaritzeta, nos proporciona un segundo aporte, este relacionado con la contaminación ambiental, entrada titulada “Mi pueblo ¿El más contaminado?“, en este aporte, nos platica sobre Alonsotegi, municipio de la provincia de Vizcaya; aquí nos explica como se ha ido contaminando más esta región de la península ibérica, desde que se instaló el vertedero de basura en 1973, cubriendo también la historia desde el periodo pre-industrial, pasando por la industrialización, la cual contribuye con la contaminación atmosférica y acuífera, así como la época post-siderúrgica, exponiendo, a manera de conclusión, la situación ambiental actual.

– Luis Reig de Moles y Bits: Educación en Ciencia y Tecnología, nos trae una entrada titulada “Los Esenciales” en la cual nos proporciona una explicación sobre los aceites esenciales, desde su composición química, hasta los métodos de extracción y su uso.

– Raven, de Micro Gaia, entrega un aporte con el título “El telescopio de las bacterias“, en esta entrega, Raven nos trae una entrada fotográfica, haciendo una excelente analogía entre un telescopio y un microscopio.

– Desde Recopilando Ciencia (Reciencia), nos llega la entrada “Homeopatía y Dolor Testicular“, en el cual proporciona una refrescante interpretación de esta pseudo¿ciencia?.

– Manuel Sánchez realiza una segunda aportación, pero esta vez desde Curiosidades de la Microbiología, este aporte es “¿Dónde están los hongos? Matarile-rile-rile…“, donde nos platica sobre los hongos encontrados en el fondo del mar.

– Y para un excelente cierre, Francis Villatoro nos brinda desde Francis (th)E Mule Science’s News, un post denominado “El génoma de los pinzones de Darwin“, en el cual nos habla sobre el reciente secuenciado de este genoma, asimismo, nos proporciona el vínculo de acceso directo al artículo fuente.

Les agradezco a todos los participantes, tanto a los bloggers, como a los lectores el que me hayan hecho partícipe de tan grato honor. Asimismo, les recuerdo que ya ha comenzado el XXII Carnaval de Biología, mismo que en esta ocasión se hospeda en Consultoría y Educación Ambiental. Reitero mi agradecimiento y les deseo Larga Vida y Prosperidad, hasta la próxima.

Esta emisión es el regreso de la Headnet, se tiene contemplado hacer un programa mensual, y tal como se había mencionado previamente, se estará utilizando como tópico principal la evolución.

Esta vez solo se da una pequeña plática introductoria, en las siguientes emisiones se estará platicando más a profundidad, esperando enriquecerlo con su participación, ya sea por medio de Twitter, Facebook o en la sección de comentarios.

El audio lo pueden escuchar en el playlist ubicado en la parte derecha de la página o lo pueden descargar aquí.

Esta entrada participa en la Edición XXI del Carnaval de Biología, hospedado en esta ocasión en La Enciclopedia Galáctica

Los grandes logros invariablemente involucran muchas mentes.

Pues si, leyeron bien, el prestigioso Carnaval de Biología llega a su edición número 21, y es un honor que La Enciclopedia Galáctica sea el anfitrión de esta edición. Esta edición corresponde al mes de febrero, por lo que la participación en el carnaval comienza a partir de la publicación de esta entrada (Post) y se cierra el 06 del mes de marzo, del año en curso (2013). Espero corresponder a tan gran responsabilidad y recibo la estafeta de Aitor A. y su blog Forestalia, quienes albergaron la edición XX y aprovecho para agradecer por la confianza depositada para albergar el carnaval.  Ahora bien, sin más preámbulo, estás son las reglas para participar (Anímense, en verdad que son muy sencillas de seguir): 

• Los blogueros que decidan participar en el Carnaval de biología deberán por un lado indicar en el mismo post con el que piensan participar que su contribución formará parte de la edición del mes en curso, por el otro poner un enlace a este blog. Una vez hecho esto, deberán enviar el enlace del post a @TorjoSagua o publicarlo como comentario en esta entrada.
• Una vez recolectadas todas las contribuciones, el día 07 de marzo un servidor publicará una entrada (Post) con un breve resumen de cada una de las contribuciones y se vincularán a la publicación original.

El 26 de junio del 2000, dos biólogos (Francis Collin del International Human Genome Project y Craig Venter de Celera Genomics), estaban lado a lado con el Presidente Clinton en el ala este de la Casa Blanca y anunciaron que finalmente habían secuenciado el primer borrador del genoma humano. De súbito, el código molecular que nos hace humanos sería como tener un libro abierto. El genoma fue publicado subsecuentemente en la revista Science.

A pesar de que se anunció como un gran avance en la biología (Y con mucha razón), la exposición del código genético humano también debe mucho a las ciencias matemáticas. El Human Genome Project (Proyecto del Genoma Humano) inició en 1990 y la expectativa original era que tardarían al menos 15 años. Sin embargo, los avances en 1998 en la nueva disciplina de bioinformática (La cual incorpora biología con las ciencias computacionales, estadística, álgebra lineal, combinaciones y geometría) aceleró dramáticamente el proyecto, convirtiéndolo en un maratón de un sprint de dos años hasta la meta.

A partir del 2000, la secuenciación genética ha sido más dependiente de las técnicas matemáticas. La siguiente generación de secuenciadores ha reducido el costo de lectura de un genoma humano completo de US$300 millones a US$30,000.00, y el tiempo de obtención ha pasado de años a semanas. Las mejoras adicionales, incluyendo la obtención del “genoma de US$1,000.00” se espera estén en un futuro cercano. El bajo costo y las rápidas tendencias de cambio son continuas. La velocidad de procesar información se ha convertido en el nuevo factor limitante.

¿Cómo ensamblaron los científicos el genoma humano? El proceso es frecuentemente comparado con el de colocar piezas de un rompecabezas. La analogía es buena, pero incompleta. En genética, muchas de las piezas no coinciden, y algunas son duplicadas. También, muchas de las piezas vienen en parejas, con una cadena adherida a cada pieza, así que más o menos sabes cuan lejos se supone que deben estar en el rompecabezas. Estas complicaciones presentan oportunidades y retos para el análisis matemático.

El ADN humano es una gran molécula que tiene forma de escalera en espiral, en el cual cada escalón contiene un par de aminoácidos que embonan perfectamente, Adenina (A) con Tiamina (T), Citosina (C) con Guanina). Cada componente solo embona con uno de los otros, así que la secuencia de letras de un lado (GATTCC…) únicamente determina la secuencia correspondiente del otro lado (CTAAGG…) la cual lee por convención en sentido inverso (GGAATC). Tal como un negativo fotográfico, un filamento es una plantilla para el duplicado del otro (Como se muestra en las Imágenes 1 y 2).

En total, el ADN humano contiene cerca de tres mil millones de ‘pares base’ o ‘peldaños en la escalera’. El objetivo del Human Genome Project era enlistarlos todos, en orden. Desafortunadamente, los químicos solo podían enlistar unos cuantos cientos de pares a la vez. Para secuenciar el genoma completo, los científicos debieron de cortar en millones de pequeñas partes, secuenciar esas piezas y re-ensamblarlos.

Human Genome Project y Celera Genomics adoptaron dos diferentes estrategias, las cuales eventualmente llegaron al mismo problema matemático. Tienes millones de pequeñas (500 pares) piezas del rompecabezas que se han revuelto por completo durante el proceso de seccionado. Hay suficientes piezas para cubrir la longitud del genoma siete u ocho veces, así que hay muchas piezas sobrepuestas, por lo que quieres utilizar esas piezas sobrepuestas como una guía para ensamblar las piezas en la secuencia más larga posible de regiones continuas.

Si la secuencia completa de lectura fuera perfectamente precisa, el ensamblado de las piezas sobrepuestas sería de rutina, sin embargo, cerca del 1% de los pares era ininteligible y esto significó que las piezas sobrepuestas podrían no coincidir. El enfoque entonces se convirtió en encontrar una buena manera de hacer que correspondieran (Ver Imagen 3).

Otra cuestión, algo más sutil, fue el problema de las repeticiones. El genoma humano incluye muchas secuencias que se repiten idénticamente en muchos lugares. Estas repeticiones fueron un gran dolor de cabeza para los secuenciadores del genoma debido a que cuando una región contigua finalizaba con un patrón que se presentaba en muchos lugares, no tenían idea de cual pieza del rompecabezas sería la siguiente.

La forma de evitar el problema que resultó, fue la de tomar un fragmento más largo de ADN (Es decir, de varios miles de pares de largo) y secuenciar ambos extremos. A pesar de no poder secuenciar la parte de en medio, se pueden secuenciar al menos unos pocos cientos de pares en cada extremo y estimar cuantos pares hay entre ellos. Esto proporciona cadenas que puedes ligar como dos piezas de rompecabezas, incluyendo algunos que son lados opuestos de un hueco o una repetición. Estas ataduras crean un andamio para sostener el “contiguo” (Conjunto de segmentos de ADN sobrepuestos) encima. Finalmente, el andamio puede girarse en la posición adecuada utilizando el mapa de alto nivel del Human Genome Project.

A más de una década desde que se completo el genoma humano, la genética ha cambiado en al menos dos importantes aspectos. Primero, porque ya tenemos un genoma humano ‘de referencia’ (De hecho, ya se tienen muchos disponibles). Si se tiene un paciente con cáncer o con una enfermedad genética se puede ubicar en el 0.1% del genoma que es diferente a la versión de referencia, ignorando el restante 99.99%, el cuál es idéntico. Así, el problema radica no en ensamblar el genoma sino en buscar las secuencias en el genoma de referencia que son similares (Pero ligeramente diferentes) a las del paciente.

Una vez más, la solución viene del exterior de la biología. En 1994, se ideó una “transformada” que aceleró la búsqueda de cadenas de texto en un gran archivo. Los investigadores crearon una tabla en la cual cada fila era una copia de la cadena, desplazada hacia la derecha o a la izquierda. Las filas estaban en orden alfabético. Para la búsqueda de una cadena como ATCTTG, se buscaba en todas las líneas que comenzaran con A, luego por las que iniciaban con AT, y así sucesivamente, en lugar de buscar a través de una cadena linear de tres mil millones de caracteres, solo se utilizaría una árbol de descenso de solo seis ramas (En este caso). Una vez que se llega al fondo, la transformada identifica todos los lugares donde aparece ATCTTG en la cadena original. Gracias a esa técnica de indexación, el genoma de referencia puede ser examinado en una fracción de segundo.

El segundo cambio fue la introducción de los secuenciadores comerciales de genes de siguiente generación, alrededor de 2004. Gracias a los nuevos avances en química, los biólogos pueden ahora leer cientos de miles de fragmentos de ADN simultáneamente. Pero la tecnología tiene un costo, dichos fragmentos tienen que ser más cortos. Un secuenciador comercial común puede leer fragmentos de solo 50-75 pares y otros pueden hacerlo con 100-150. Las lecturas cortas son un doble golpe para los biólogos. Primero, necesitan recolectar mucha más información (Típicamente las nuevas máquinas secuenciarán suficientes fragmentos para cubrir el genoma 30 veces). Segundo, una pequeña base de 50 pares tiene más probabilidades de caer en la mitad de una repetición que una de 500 pares. Los métodos utilizados por la primera generación no pueden tratar con este incremento en ambigüedad.

Otra vez, las matemáticas adecuadas ya existían y estaban listas para utilizarse, pero eran desconocidas para los biólogos. La idea es crear una red en la cual los nodos representen subcadenas del genoma y los bordes representen subcadenas sobrepuestas. La cantidad de métodos de primera generación para encontrar un camino a través de una red que pasa por cada nodo una vez, es un problema que se sabe tomará un periodo de tiempo largo para resolver. Sin embargo, un mejor enfoque es encontrar un camino que pase a través de cada vínculo de la red exactamente una vez (Notar que podría visitar algunos nodos repetidamente, esos corresponden a cadenas repetidas en el genoma). Este problema, llamado el “Problema del camino Euleriano”, tiene una solución computacional eficiente, la cual hace a los secuenciadores de la siguiente generación prácticos (Especialmente para otras especies animales, las cuales no tienen genoma de referencia para consultar).

La aplicación de las ciencias matemáticas en el genoma ha tenido un gran impacto en la sociedad. Un estudio del Battelle Memorial Institute en 2011 concluyó que el impacto económico del Human Genome Project casi había alcanzado los US$800 mil millones de dólares. Y eso que no contó el impacto en los humanos, el cual apenas ha comenzado.

Esta entrada participa en el Carnaval de Matemáticas Edición 3.14159265 que se hospeda en esta ocasión en el Blog Pimedios, que gestiona Jesús Soto. También participa en la XVIII Edición del Carnaval de Biología, que se hospeda esta vez en el Blog Ameba Curiosa, gestionado por José María (Pepe) Urbano.

Referencias

Molecular Computation By DNA Hairpin Formation
Kensaku Sakamoto et al.

DNA-based Cryptography
Ashish Gehani, Thomas H. LaBean, John H. Reif

Advancing Scientific Discovery through Genomics and Systems Biology
US Department of Energy Office of Science

NIH Guidelines for Research Involving Recombinant DNA Molecules
NIH Guidelines

Bioinformatics
Martin Saturka

Some Applications of Eulerian Graphs
Abdul Samad Ismail, Roslan Hasni, K. G. Subramanian

Graph Algoritms in Bioinformatics

Economic Impact of the Human Project
Battelle Technology Partnership Practice

National HUman Genome Research Institute

Celera Genomics

American Mathematical Society.

¿Qué es la biotecnología?

Si la separamos en sus raíces tenemos: Bio, y tecnología, el uso de procesos biológicos para solucionar problemas o hacer productos útiles (Interpretación libre, je). El uso de procesos biológicos es difícilmente un evento notable. Comenzamos cosechando cultivos y criando animales hace 10,000 años para obtener una fuente estable de alimentos y vestuario. Hemos utilizado procesos biotecnológicos de microrganismos por más de 6000 años para producir productos útiles, tales como pan, queso, yogurt y para conservar productos lácteos. ¿Por qué entonces de repente la biotecnología recibe tanta atención?

Durante las décadas de 1960 y 1970 nuestro entendimiento de la biología alcanzó un punto donde podríamos comenzar a utilizar las partes más pequeñas de organismos (sus moléculas biológicas) además de utilizar organismos completos.

Luego entonces, una definición adecuada dándole un nuevo sentido a la palabra sería: el uso de procesos celulares y biomoleculares para solucionar problemas o hacer productos útiles. Podemos tener un mejor manejo del significado de la palabra biotecnología simplemente cambiando el pronombre singular a su forma plural, biotecnologías.

La biotecnología es una colección de tecnologías que se aprovechan de los atributos de las células, tales como sus capacidades de manufactura y colocan a las moléculas biológicas, tales como el ADN y las proteínas, a trabajar para nosotros.

Células y moléculas biológicas

Las células son los bloques básicos con los que estamos constituidos los seres vivos. Las criaturas vivas más simples, tales como las levaduras, consisten de una simple y autosuficiente célula. Las criaturas complejas, más familiares a nosotros, tales como las plantas, animales y seres humanos, estamos hechos de muchos tipos diferentes de células, cada una de las cuales desempeña una tarea específica.

A pesar de la extraordinaria diversidad de tipos de células en los seres vivos, lo que es más llamativo es su extraordinaria similitud. Esta unidad de vida a nivel celular proporciona la fundación de la biotecnología. Todas las células tienen el mismo diseño básico, están hechas con los mismos materiales de construcción y operan utilizando esencialmente los mismos procesos. El ADN (Ácido desoxirribonucleico), el material genético de casi todos los seres vivos, dirige la construcción y operación de las células, mientras las proteínas hacen todo el trabajo. Dado que el ADN contiene la información producir proteínas, este dirige los procesos celulares para determinar cuales proteínas son producidas y cuando.

Todas las células hablan el mismo lenguaje genético. El “manual de información” del ADN de una célula puede leerse e implementarse por las células de otros seres vivos. Esto se debe a que una instrucción genética para producir un cierto tipo de proteínas es entendida por muchos diferentes tipos de células, las tecnologías basadas en moléculas biológicas y células nos proporcionan gran flexibilidad utilizando la diversidad de la naturaleza. Además, las células y las moléculas biológicas son extraordinariamente específicas en sus interacciones. Como resultado, los productos biotecnológicos pueden resolver problemas específicos frecuentemente, generando pocos efectos colaterales y tienen pocas consecuencias no deseadas. Las palabras que mejor describen a la biotecnología actualmente son: Específica, precisa y predecible.

Esta publicación participa en la XI Edición del Carnaval de Biología, hospedado en esta ocasión en el blog “Ciencia y alguna otra cosa” de Gerardo (@Diplotaxis).

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Cuando se completó la primera secuencia de un genoma microbiano en 1995, la información era que, unas pocas docenas de genomas, elegidas por su diversidad adecuada, podrían agotar el rango de variabilidad en como los genes pueden ser ‘ensamblados’ para ‘hacer’ microbios. Pero a medida, que el número de genomas secuenciados se acerca a los 500, pareciera que no se tiene un límite en cuanto a la manera en que los genes pueden realizar arreglos (Cromosomas lineales o circulares, en uno o muchos, compactados – Como en muchos microbios eucariotas – separados por ADN ‘basura’ de 10 veces su longitud). El número de genes en una bacteria no simbiótica va desde los 500 hasta los 10,000 o más; el genoma bacterial más grande es más del doble de tamaño que el más pequeño de los genomas eucariotas. Por el contrario, los genomas de muchos microbios parásitos o simbióticos son muy reducidos, no teniendo la cantidad suficiente de genes para sobrevivir de forma independiente a sus anfitriones.

Incluso, dentro de un cultivo clonal simple, establecido a partir de una sola célula, es probable que haya múltiples formas de genomas. Muchas bacterias, especialmente las patógenas, han elaborado mecanismos para reacomodar sus genes. Los mecanismos sirven como interruptores de mutación, lo que garantiza que, si el medio ambiente del microorganismo cambia, debido a condiciones químicas, físicas o biológicas, habrá variantes en la población que pueda florecer. Por ejemplo, no importa que el sistema inmunitario del huésped se defienda contra el patógeno, habrá unas variantes resistentes en la población del mismo. La variabilidad también se logra mediante el intercambio entre los genomas: la recombinación (Similar al intercambio genético que se produce en la reproducción sexual) constantemente redistribuye las variantes (Alelos) de los genes en la población, generando nuevas combinaciones de adaptación. Los plásmidos, pequeños y frecuentemente auto-transmisibles paquetes de genes que codifican las funciones relativas al medio ambiente, son abundantes.

Es, sin embargo, la omnipresencia de la transferencia lateral de genes entre especies la que reta de manera más profunda la noción de que una especie bacterial simple tiene un solo genoma. Varios procesos naturales (Transporte por virus, ‘apareamiento’ bacterial, la captación directa del AND del ambiente) llevan información genética de una especie a otra. Estos procesos están regulados y preservados evolutivamente; se activan cuando es más probable que resulten en la transferencia de genes, y los que deben funcionar juntos a menudo son transferidos entre sí, formando ‘islas’ genómicas (Islas de patogenicidad, islas de simbiosis o islas de biodegradación). La plasticidad genómica es una estrategia evolutiva. No se tiene una secuencia simple que pueda identificarse como la secuencia genómica de la especia bacterial Escherichia coli, por ejemplo. Y las variaciones son decisivas, no como las diferencias triviales que se encuentran para la gran parte de la variación de 0.1% entre los seres humanos. Cuando los genomas de varias cepas de la misma especie (Como la mencionada E. coli K12, O157:H7 y al menos otra docena disponible) se comparan, difieren hasta en un 25% en el tamaño del genoma y en el número y tipo de genes que llevan. De hecho, los genes que son compartidos por todas las cepas secuenciadas de E. coli representan menos del 40% de los genes presentes en la especie como un conjunto. Los genomicistas microbianos han comenzado a pensar en términos de ‘genomas de especies’ microbianos o pangenomas, que constan de un núcleo de genes compartidos por todas las cepas de una especie y una ‘biblioteca’, tal vez mucho más grande, de los genes auxiliares que se encuentran en algunos miembros de la especie, sino es que en todos.

Sondear el grado de diversidad genómica es una enorme tarea, la cual es mejor llevada a cabo por los enfoques metagenómicos (II Carnaval de Biología – Metagenómica). Con los métodos experimentales y computacionales adecuados, las secuencias de genes del entorno, pueden ser desechados (Agrupados estadísticamente) en pangenomas provisionales, basados en las características de composición y lugar de la recuperación. A medida que los datos se acumulan, la definición de que constituye un genoma microbiano será mejor y los principios subyacentes que gobiernan la posibilidad genómica de los microbios podrían emerger. El tener una estructura genómica más flexible y dinámica, es una estrategia fundamental de vida para diferenciar entre bacterias y arqueas por un lado y eucariotas, por el otro ¿Cuáles son sus ventajas y sus límites? ¿Puede la comprensión del fenómeno ayudar a explicar la aparición de organismos multicelulares que tienen genomas más rígidos?

Esta entrada participa en el VI Carnaval de Biología, hospedado este mes en el blog (Pendiente).

Referencia:

Insights on Biology and Evolution from Microbial Genome Sequencing

Claire M. Fraiser-Liggett

Para Saber Más:

Metagenomics for Studying Unculturable Microorganisms: Cutting the Guardian Knot
Patrick D. Schloss & Jo Handelsman

Metagenomics and Industrial Applications
Patrick Lorenz and Jürgen Eck

Oceanic Metagenomics in Plosbiology
A collection of articles from the J. Craig Venter Institute’s  Global Ocean Sampling Expedition

Metagenomics 2008

High Troughput Metagenomics Analysis
Gabriel Valiente