© 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Introducción Bioinformática La investigación Biomédica in silico.

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1 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Introducción Bioinformática La investigación Biomédica in silico

2 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Puntos a tratar:  Bioinformática:  Bioinformática: síntesis de la revolución de la biología molecular y de la informática  El análisis computacional de secuencias  Retos de la bioinformática: la integración de los diferentes niveles de complejidad de los sistemas biológicos Introducción a la Bioinformática

3 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB GENOMAS Introducción a la Bioinformática

4 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB  Sistemas vivos: información digital cuaternaria (A,T,G,C) en secuencias unidimensionales de monómeros  Ordenadores: información digital binaria en ristras de 0 y 1 Codificación de la información

5 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Bioinformática: síntesis de la revolución de la biología molecular y de la informática Definición: La disciplina científica que engloba todos los aspectos de la adquisición, procesamiento, distribución, análisis, interpretación e integración de la información biológica  Biología molecular  Fundamentos de redes  Bases de datos  Aplicaciones bioinformáticas Bioinformática

6 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB  Aproximación que cruza la arena tanto experimental como teórica: experimentos realizados “in silico”  Nueva disciplina  Curriculum:  Licenciado en Ciencias de la Vida  Máster en computación  Doctor en análisis de secuencias Nueva disciplina Bioinformática: síntesis de la revolución de la biología molecular y de la informática Bioinformática

7 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Hitos de la Bioinformática Primera proteína secuenciada Secuenciación del DNA GenBank, EMBL, DDBJ Secuenciación automatizada de DNA Algoritmos FASTA y BLAST WWW Primer genoma completo Primer cromosoma humano Borrador Genoma Humano Genoma Humano completo HapMap, Genoma chimpancé, 387 genomas 1951 1977 1982 1986 1990 1991 1995 2000 2001 2003 2005 1951 1977 1982 1986 1990 1991 1995 2000 2001 2003 2005 1953 Estructura del DNA Bioinformática

8 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB El problema René Magritte Clarividencia DNA Fenotipo

9 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Propiedades de la información biológica  Existe una relación entre estructura molecular y función en el sentido más amplio:  DNA --> Fenotipo (todos los niveles)  La complejidad de los datos biológicos  El crecimiento explosivo de los datos biológicos La información biológica Bioinformática

10 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB El crecimiento explosivo de datos Hace...AntesAhora Nucleótidos26 años (1982) 680338 pb (GenBank) > Miles de millones Proteínas26 años1500300.000 DNA continuo16 años73 kb> 270 Mbases SNPs16 añoscentenares11 millones Genomas 11 años0 microorganis mos 387 Organismos Expresión 10 añosLimitado pocos genes Torrente de datos (microchips)

11 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB La avalancha de datos La Bioinformàtica es crucial para tranformar el torrente de datos brutos en conocimiento biológico David B. Searls

12 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Biologia Computacional Los métodos computacionales se han convertido en algo intrínseco de la investigación biológica moderna, y su importancia sólo puede incrementar conforme aumenta la importacia de los métodos a gran escala de generación de datos, la complejidad de los datos y la sofisticación de nuestras preguntas Francis S. Collins Bioinformática

13 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Tres vertientes del análisis bioinformático:  Manejo de volúmenes masivos de datos  Análisis e interpretación de resultados experimentales  Modelo de sistemas biológicos 

14 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB DB Bases de datos http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gquery/gquery.fcgi

15 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Potencia de cálculo Ordenador Compaq de 800 procesadores Alfa EV6 y EV7 con una arquitectura de 64 bits y más de 80 terabytes de memoria (5 veces la biblioteca del congreso) Secuenciación del genoma (Aproximación aleatoria, Celera)

16 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Translation Database Similarity searrch² Proteome All-against-all Comparison Within Proteome 1,3 Protein Comparison Between Proteomes 1,4 Proteome 1 Search Of Clusters 5 SwissProt PDBsequences Translated ESTs Proteome 2 Proteome database Database of Proteome 1 Database of Proteome 2 Cluster Database..... Or Proteome Análisis de genomas Genome sequence Predicted genes

17 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Genoma ratón 14% menor genoma humano (2,5 Gb vs 2,9 Gb) 90% ambos genomas presentan sintenia A nivel nucleotídico 40% GH se alinea con GR Tasa substitución neutra 0,5 por sitio. Doble ratón que humanos % genoma sometido a selec purificadora >5% Evolución no uniforme del genoma Ambos ~ mismo número genes, 30.000. 80% único ortólogo, sin homología <1% Genómica comparativa Metodología con una sensibilidad y precisión comparable o superior al análisis experimental

18 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Genómica comparativa Chimpancé vs Homo sapiens ¿Qué cambios genéticos nos hacen humanos ?

19 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Base genética de la individualidad humana SNPs A G A G T T C T G C T C G A G G G T T A T G C G C G A G A G T T C T G C T C G A G G G T T A T G C G C G A G A G T T C T G C T C G A G G G T T A T G C G C G Single Nucleotide Polymorphism

20 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Base genética de la individualidad humana International HapMap Project (http://www.hapmap.org)

21 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Expresión (DNA microarrays: Molecular portraits)

22 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB T M I T D S L A V V L Q R R D W E N P G V T Q L N R L A A H P P F A S W R N S E E A R T D R P S Q Q L R S L N G E W R F A W F P A P E A V P E S W L E C D L P E A D T V V V P S N W Q M H G Y D A P I Y T N V T Y P I T V N P P F V P T E N P T A G C Y S L T F N V D E S W L Q E G Q T R I I F D G V N S A F H L W C N G R W V G Y G Q D S R L P S E F D L S A F L R A G IBM: GeneBlue Proteómica

23 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Redes de interacción de proteínas (Gavin et al. Nature 2002) Redes de interacción Máquina multiproteínas 232 máquinas de 12 proteínas promedio Proteómica

24 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB MAKING CONNECTIONS This network graph shows causal connections among 30,512 genes, 31,459 proteins, and 5,824 small molecules in Genstruct's model, which contains 136,362 causal connections that can be evaluated to explain the molecular state changes observed in large-scale systems biology experiments. The red connections represent inhibitions; green, activation; light blue, reaction; dark blue, a product; yellow, catalysis; orange, binding; and black, gene product relations. COURTESY OF GENSTRUCT Bioinformática

25 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Modelo de sistemas biológicos E-Cell (Masaru Tomita) Bioinformática

26 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Entendiendo la célula Bioinformática

27 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB ¿Qué gran panorámica emergerá del océano de datos biológicos ? a. La complejidad no es reducible b. Nuevos principios generales de organización de lo biológico Bioinformática

28 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Sistema biológico (Organismo) Bloques de construcción (Genes/Moléculas) Aproximación sintética interdisciplinar (Bioinformática: Biólogos, médicos, matemáticos, físicos, informáticos,) Aproximación reduccionista (Experimentos) Bioinformática

29 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Nivel de análisisDefiniciónEstatusMétodo análisis Genoma Conjunto completo de los genes de un organismo o sus organelas Independiente del contextoSecuenciación sistemática del DNA Transcriptoma Conjunto completo de los RNA mensajeros presentes en una célula, tejido o órgano Dependiente del contexto (el complementos de RNAs varía según cambios en la fisiología, el desarrollo o patologías Matrices de hibridación SAGE Análisis Northern a gran escala Proteoma Conjunto completo de proteínas presentes en una célula, tejido o órgano Dependiente del contextoElectroforesis en gel bidimensional, fingerprinting de péptidos Análisis de dihíbridos Metaboloma Conjunto completo de metabolitos (intermediarios de bajo peso molecular) presentes en una célula, tejido o órgano Dependiente del contextoEspectrofotometría de infrarrojos Espectrofotometría de masas Espectrofotometría resonancia magnético nuclear Bioinformática Interactoma -omics

30 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB La intersección de la genómica y bioinformática en la práctica clínica es una necesidad que debe incorporarse en la investigación médica si que quiere que la revolución genómica incida efectivamente en la medicina Chris Gunter Nature 2004, 429: 439 La Bioinformática en la investigación clínica

31 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB El ‘guru’ JUAN ENRIQUEZ Ex-Director del Harvard Business School´s Life Science Project y, actualmente, es CEO de Biotechconomy Conocer el lenguaje de los genes es dominar el futuro Código digital cuaternario Perspectivas de la Biotecnología

32 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB La Bioinformática hoy DatosConocimiento Herramientas bioinformáticas

33 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Conclusiones El tratamiento y análisis masivo de información es parte de la práctica de la investigación biomédica actual El disponer de recursos bioinformático integrados y de gran capacidad para el tratamiento y análisis de información biomédica es hoy una necesidad primaria de la investigación biomédica Los investigadores precisan conocimientos y capacidades para el análisis e interpretación bioinformático mediante programas de formación Desarrollo de análisis de sistemas dinámicos complejos Colaboración multidisciplinar Estilo de vida en la red En la era postgenómica de la investigación Biomédica Bioinformática

34 © 2006 Plataforma Bioinformàtica de la UAB Are you ready?

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