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EAFITInvestigaciónInvestigación / Revista Universidad EAFITBiocomputación, nuevo enfoque de la biología contemporánea

Biocomputación, nuevo enfoque de la biología contemporánea

​​​​​Desde separar el genoma y analizar los genes, las proteínas y cómo estas se unen para producir enfermedades, hasta la investigación genómica de especies son algunas de las contribuciones de la biología computacional. Para fortalecer el desarrollo de esta disciplina en Colombia, los investigadores recomiendan establecer redes colaborativas. EAFIT aporta en el área, no solo con investigación, sino con formación de profesionales con este énfasis.

​La biología computacional es una disciplina que incluye la bioinformática, y utiliza herramientas de la computación para analizar información relacionada con fenómenos biológicos. Foto: Róbinson Henao.

Claudia Bedoya
Colaboradora

Al comenzar el tercer milenio, el 6 de abril de 2000, el estudio de la biología cambió para siempre, cuando se conoció la noticia de la decodificación del genoma humano.

Ese hecho representó un hito en la biología. Mostró el esfuerzo de investigadores de varios países que en el libro Craking the Gemone, de Kevin Davis (director y fundador de la revista Nature Genetics), comparan este proyecto con la llegada del hombre a la luna. Incluso, el costo fue semejante, señala Javier Álvarez Correa, doctor en genética molecular e integrante del Grupo de Ciencias Biológicas y Bioprocesos de EAFIT (Cibiop).

“En el proyecto de genoma humano fueron secuenciadas las tres billones de bases nucleotídicas que conforman el genoma de cada célula del cuerpo. Es decir, que si las ponemos en un libro, llenamos miles de volúmenes y conformamos una biblioteca completa. Si quiero encontrar un gen de forma manual en esa inmensa cantidad de libros, me gastaría toda la vida y no lograría hallarlo”, explica Correa.

En ese contexto apareció en el mundo la biología computacional, que incluye la bioinformática, y utiliza algoritmos y computadores para entender problemas biológicos donde la información es tan vasta, que aproximaciones tradicionales para el análisis no son opción.

Un área del conocimiento que la Rectoría de EAFIT impulsa, con el fin de que la Universidad también aporte a un nuevo enfoque de la biología contemporánea, que surge como respuesta y solución a problemas de generación masiva de información biológica, señala Luis Alejandro Gómez, doctor en Bioquímica y Biofísica e integrante del grupo Cibiop, quien se ha dedicado a investigar el metabolismo energético celular. 

Investigación en EAFIT

Precisamente, con dicho grupo, la Universidad EAFIT viene incursionando en la investigación en biología computacional con varios proyectos en ejecución, uno de estos enfocado, a partir de la identificación genética de microorganismos, en formular productos con alto valor biotecnológico, para luchar contra la Sigatoka negra que afecta al banano.

Por su parte, Diego Fernando Villanueva Mejía, jefe del pregrado en Biología de la Escuela de Ciencias y Humanidades, investiga en el mismo grupo sobre genética de poblaciones. También ha trabajado en la clasificación de insectos para comprender, por ejemplo, el estado genético y poblacional de la plaga de la papa, Tecia solanívora, presente en diferentes regiones del país.

En el campo de la bioinformática, Correa estudia el comportamiento y evolución de los genomas de un hongo, La Monilia, que ataca ampliamente los cultivos de cacao del país, labor que enriquece el grupo con los análisis computacionales de procesos metabólicos, los cuales parecen contribuir al incremento de la patogenicidad de estos microorganismos en el campo.

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​​EAFIT ​​también aporta con la formación de biólogos

​Con el fin de contribuir al desarrollo del país, la Universidad EAFIT definió, en su Plan Estratégico de Desarrollo 2012-2018, que en este periodo incursionaría en las áreas, biología y urbanismo. 

De esta manera, la primera cohorte del programa de Biología inició en el primer semestre de 2013, con sus cuatro líneas de énfasis: conservación y desarrollo sostenible, biotecnología molecular, biología computacional y bioinnovación. 

Para reforzar la investigación de dichas líneas, especialmente de biotecnología molecular y de biología computacional, el pregrado cuenta con el Laboratorio de Biología, dotado con termocicladores para amplificación de fragmentos de ADN o de RNA, y cámaras de electroforesis, entre otros equipos que permiten estudiar moléculas de DNA, RNA y proteínas. 

De esta manera, EAFIT contribuye a la formación de biólogos con conocimientos y competencias de investigación e innovación y empresarismo en el desarrollo de las ciencias biológicas, a partir del conocimiento de la biodiversidad del país..

“Lo que hacemos es ensamblar los genomas, entonces analizamos los genes, proteínas y cómo estas interaccionan para causar una enfermedad en las plantas. Esta es el área de la biología computacional que lidero en el grupo, analizamos genomas y transcriptomas de microorganismos y algunos insectos, pero esto es solo una parte de este campo del conocimiento”, enfatiza Correa.

Otro proyecto destacado de Correa es en el que participa con la Corporación para Investigaciones Biológicas (CIB) sobre tuberculosis. “Estamos analizando más de 200 genomas de cepas de Mycobacterias aisladas en el Valle de Aburrá y asociando diferentes regiones del genoma, con la capacidad de causar mayor severidad en la enfermedad. Esto nos ayudará a direccionar estrategias de control y tratamiento”, comenta.

Este investigador eafitense agrega que en la Universidad también existen grupos de investigación que tienen mucha interacción con esta área. Por ejemplo, el Grupo de investigación en Modelado Matemático o el Grupo de Investigación en Electromagnetismo Aplicado (Gema), que analizan patrones de expresión de los genes y la estructura de las proteínas. Igualmente el super computador APOLO, donde estos análisis son procesados en tiempos cortos y con gran volumen de información.

La interdisciplinariedad con otras áreas de la ciencia es una de las claves para fortalecer la investigación en este campo en EAFIT. La computación, las matemáticas y la biología son las áreas que aportarán los principales avances en los próximos años, manifiesta Correa.

Bioinformática aplicada

Además de los aportes de EAFIT, en Colombia también se destacan otras experiencias que buscan apoyar el desarrollo nacional a través de la biología computacional y la biología informática.

Uno de esos casos es el proyecto Fortalecimiento en ciencia, tecnología e innovación en biotecnología para el Departamento de Caldas, apoyado con infraestructural computacional avanzada y trabajo colaborativo, y ejecutado por el Centro de Bioinformática y Biología Computacional de Colombia (Bios), con sede en Manizales.

El biólogo Miguel Eduardo Guevara Burbano, coordinador de Investigación y Desarrollo de dicho centro, explica que con ese proyecto buscan generar productos y servicios de valor agregado para agentes gubernamentales, académicos y empresariales que requieren apoyo con infraestructura computacional.

De hecho, para contribuir con el desarrollo de la bioinformática en Colombia, actualmente avanzan en la creación del Sistema de Información Nacional de Biotecnología y desarrollan herramientas informáticas para aprovechar el potencial computacional del data center y, así, integrar la capacidad de más de 300 computadores para analizar secuencias biológicas, señala Guevara.

Esta infraestructura incluye un simulador que permite estudiar las proteínas, con las que trabajan diferentes grupos de investigación en el país, con el fin de obtener resultados más rápidos sobre su comportamiento. Además, cuentan con un software que les permite hacer anotación automática asociada a ontología de genes. Es decir, permite describir el gen y los atributos del producto génico en cualquier organismo.

​Investiga​​dores 

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Javier Co​rrea Álvarez

Biólogo y Magíster en Biología, Universidad de ​Antioquia. Doctor en Genética y Biología Molecular, Universidad de Campinas (Brasil). Miembro del Grupo de Ciencias Biológicas y Bioprocesos de EAFIT (Cibiop). Trabajó en la Corporación para Investigaciones Biológicas (CIB) y en el Laboratorio de Genómica y Expression de la UNICAMP – Brasil. Fue asistente de investigación en el Departamento de Genética, Escuela de Medicina de la Universidad de Carolina del Norte (Estados Unidos). Profesor e investigador del programa de biología de EAFIT.

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Diego Fernando Villan​ueva Mejía

Biólogo, magíster e​​n​​ Biotecnología y candidato a PhD en Biotecnología, Universidad Nacional de Colombia. Profesor, investigador y jefe del programa de Biología en EAFIT. 

Juan Fernando A​lzate Restrepo

Bacteriológo y laboratorista clínico, y magíster en Biología Molecular, Universidad d​e Antioquia. PhD en Biomedicina, Universidad de Alcalá de Henares, España. Dirige el Centro Nacional de Secuenciación Genómica (CNSG) de la Universidad de Antioquia y coordina el Grupo de Investigación en Parasitología. 

Pedro Antonio Moreno T​ovar

Biólogo, Universidad Nacional de Colombia. PhD en Biología Celular, Universidad de Houston. Dirige el Laboratorio de Informática de la Escuela d​​e Ingeniería de Sistemas y Computación (EISC) y el Grupo de Bioinformática de la Universidad del Valle. 

Miguel Edu​ardo Guevara Burbano

Biólogo y magíster en Ingeniería Física de la Universidad del Cauca. Es coor​dinador de investigación y desarrollo del Centro de Bioinformática y Biología Computacional de Colombia, con sede en Manizales.

Por lo anterior, Guevara destaca que Colombia es referente latinoamericano, al contar con una plataforma de supercomputación que no existía hasta hace poco para el tratamiento de datos científicos.

No obstante, pese a que ya hay avances en este campo en el país, Guevara señala que falta más oferta educativa en biología computacional, biología informática, Hight Performance Computing (HPC) e infraestructura para realizar procesos de secuenciación masiva de datos.

“Generalmente, tenemos que tercerizar los procesos de secuenciación y mandarlos a otros países donde cuentan con la infraestructura, como China, Corea, Estados Unidos o México”, dice Guevara, quien insiste en la necesidad de que el Gobierno brinde más apoyo, por ejemplo, a proyectos como el Centro Nacional de Secuenciación Genónima de la Universidad de Antioquia.

Con base en lo planteado por Guevara, como un aporte para comenzar a fortalecer la oferta educativa, la Universidad EAFIT, recientemente, lanzó la Diplomatura en Bioinformática y Biología Computacional, integrada por investigadores de varias instituciones del país.

Secuenciación genómica​

Sobre el Centro Nacional de Secuenciación Genómica, su director Juan Fernando Alzate Restrepo destaca algunos de los trabajos internos y externos que desarrollan y que, también, se han convertido en referente en el país.

Uno de esos estudios interinstitucionales es el que busca mitigar el impacto ambiental de un proyecto energético de la Universidad Nacional de Medellín, liderado por Edna Judith Márquez Fernández, en el que el centro brinda apoyo tecnológico, científico y académico.

“Con la investigación genómica se levanta la información sobre especies de forma más rápida y se le entrega a la empresa para que tome decisiones. Ese trabajo se realiza con investigadores colombianos, tres de doctorado y dos de maestría”, explica Alzate.

Internamente, el centro adelanta un inventario de bacterias y microorganismos presentes en las toneladas de subproductos de las plantas de tratamiento de aguas residuales. “Esperamos encontrar organismos novedosos en ese material, que no ha sido estudiado en detalle, para ver los usos y su potencial”, dice Alzate.

Con aplicación de la genómica lograron también estudiar la brucelosis en perros, “pero estos avances significativos no son suficientes para desarrollar un país. Las máquinas no escriben los artículos ni forman magísteres ni doctores”, enfatiza el científico, al referirse a la necesidad de formar escuela, tiempo y planeación estratégica educativa, atributos de instituciones internacionales que llevan décadas en este trabajo.

De todas formas, Colombia avanza paulatinamente con resultados interesantes. Por ejemplo, uno de los primeros trabajos del Centro Nacional de Secuenciación Genómica fue la secuenciación completa del genoma de la bacteria de la tuberculosis. Alzate lo destaca porque “no es lo mismo mandar las muestras a Estados Unidos que hacer el trabajo aquí y formar gente”.

El investigador reconoce que hay una semilla sembrada y, lo que falta, es apoyo institucional consistente. “La capacidad de Colciencias no alcanza. Algunos le apuestan más a la computación, pero las preguntas biológicas serán las mismas. Lo que cambia es cómo levanto la información. Las tecnologías están ahí. Lo más importante es cómo transformo los datos abstractos en información para integrar a los análisis y estimular el trabajo conjunto”, concluye.

Análisis multifractal​

El doctor en biología celular y director del Grupo de Bioinformática de la Universidad del Valle, Pedro Antonio Moreno Tovar, es referente mundial en esta disciplina por su análisis multifractal de secuencias genómicas o modelación del genoma humano, temas en los que trabaja desde 1994.

En 2011 lograron modelar en forma no lineal todo el genoma humano, un trabajo extenso y denso con el que explicaron muchos de los hallazgos hechos por otros investigadores de manera parcial.

El aporte explica cómo es la estructura del genoma humano y sirve para predecir los puntos, regiones o localidades que se correlacionan con enfermedades o efectos ambientales. “El trabajo tiene la virtud de que sintetiza lo que otros investigadores han hecho”, puntualiza Moreno.

Con el desarrollo de lo que él llama un ‘mapa multifractal’, lograron armar un rompecabezas y encajaron los hallazgos de otros investigadores. En el caso del cáncer, por ejemplo, en este momento, y con parámetros multifractales, hacen una correlación para establecer la sensibilidad al cáncer que puede tener la población de una región determinada.

“Todo ha sido posible porque tenemos un mapa ajustado a la teoría que nos permite navegar y hacernos preguntas nuevas respecto a edad, tipo de cáncer o variación poblacional de los diferentes grupos humanos que son sensibles a diferentes tipos de enfermedades. Por eso, este trabajo tiene muchas implicaciones prácticas a mediano y largo plazo”, explica Moreno.

Respecto al desarrollo de la biología computacional y la biología informática en Colombia, el científico dice: “Desafortunadamente estamos empezando en lo que ya otros llevan 20 o 30 años de ventaja. Lo bueno del asunto es que hemos comenzado ya, lo grave sería que no lo hubiéramos hecho”.

Moreno destaca la labor, como referentes nacionales, de Bios en Manizales y de las universidades del Valle, Javeriana, Nacional de Colombia, del Cauca y Los Andes que trabajan la bioinformática a un nivel alto.

Sin embargo, el investigador hace un llamado a que se estimule la creación “de más pregrados y posgrados en biología informática y computacional. También, a que el Gobierno o Colciencias, en este caso, hagan un proyecto paralelo al Centro de Bioinformática de Manizales para tener un centro de secuenciación de genomas a gran escala”.

El propósito de contar con un centro con esas características sería generar secuencias masivas en el ámbito humano, agrícola, animal y explorar la biodiversidad que ha caracterizado a Colombia.

“Sería un centro a gran escala, masivo, donde se secuenciara cuanto bicho existe de importancia tecnológica y biotecnológica para la industria y para el conocimiento. Es como abrir unas grandes avenidas a patentes de productos para bioprospección, biorremediación e infinidad de productos que se puedan explotar económicamente”, comenta.

Para avanzar más rápidamente, el investigador considera necesario establecer en el país una red en estas disciplinas de la biología computacional y la bioinformática. “La colaboración es la que enriquece el conocimiento. Hay un teorema que dice que entre más ediciones haya de un concepto o de una historia, más eficiente será el resultado que se obtenga a partir de ese conocimiento. Es decir, mientras no haya redes colaborativas, seguiremos siendo ‘islitas’ haciendo cositas interesantes, pero de ahí no pasamos”, finaliza Moreno.​
Última modificación: 16/04/2015 12:53