Anteproyecto de investigacin. Realidad virtual y sus
aplicacionesProgramacin para secuenciadores de ADN que
potencialicen la investigacin cientfica en el pas.
CONTENIDO
Objetivo...3
Justificacin......4
Marco terico..5
Hiptesis.16
Metodologa...16
Bibliografas...18
ObjetivosGeneralAnalizar, disear e implementar un programa de
computadora verstil para potenciar y optimizar los servicios de
secuenciacin de genomas y a su vez la investigacin biotecnolgica
del pas.
Especficos-Identificar, analizar y documentar la forma en que
funciona el software de secuenciacin de genomas.-Elaborar un
programa que ayude a la obtencin de un genoma virtual, y que con la
aplicacin de ingeniera gentica, se proyecte un organismo vivo
virtual y consiente en capacidades y sujeto a modificaciones vial
ordenador, o sea, un individuo virtual que se encuentre almacenado
en conciencia dentro del ordenador y est en funcin del genoma a
modificar, o sea, sujeto a modificacin gentica con la finalidad de
perpetuar su conciencia, obteniendo mejoras a padecimientos o
enfermedades con plena visualizacin del genoma y la entidad, para
la obtencin de datos tiles materia de investigacin.-Implementar
dispositivos nanotecnolgicos de secuenciacin y el software en
cuestin para mejorar la investigacin cientfica en el pas.
JustificacinLa ciencia ha servido para fines militares, mdicos,
educativos, etc. La realidad virtual comprende la interface
hombre-mquina (human-machine), que permite al usuario sumergirse en
una simulacin grfica 3D generada por ordenador, y navegar e
interactuar en ella en tiempo real, desde una perspectiva centrada
en el usuario.La interactividad es la capacidad de interaccin
hombre-mquina, el establecimiento de un dilogo para dar y recibir
informaciones de forma grfica en la pantalla de visualizacin,
basada en la interaccin humana y en una forma concreta de la misma,
la comunicacin. (MARTINEZ, 2011)Estos elementos tecnolgicos
representan herramientas tiles e importantes para la obtencin de
avances cientficos en pro de la mejora continua en la vida de los
individuos. En la actualidad se pueden implementar estos conceptos
en la prctica para la obtencin de mejoras concretas en el campo de
la gentica, el acido desoxirribonucleico representa la materia
prima de los organismos vivos orgnicos, este se localiza en el
interior de la clula, en el cromosoma que es el responsable de su
duplicacin. Este descubrimiento abri un extenso campo de
investigacin ya que se determin que existen 4 bases qumicas
nitrogenadas que se aparean entre s para formar la cadena de ADN
que se refiere a las caractersticas especficas de un ser vivo.
Bajo este descubrimiento, se implementan entonces tcnicas de
secuenciacin de ADN mediante maquinas que tienen sistemas de
deteccin a nivel nanomtrico para obtener datos concretos de cul es
la base nitrogenada contenida en cierto organismo y as realizar una
secuenciacin de todas las bases para obtener el genoma completo.La
secuenciacin de ADN es una herramienta til para la deteccin la
correccin de enfermedades que la medicina convencional no puede
tratar, para la mejora de especies animales y vegetales que tiene
como finalidad mejorar la calidad alimenticia del ser humano, en
resumen para la produccin de vida en estricto apego a la
legalidad.La implementacin de programas computacionales de esta
ndole es costosa y complicada. Ya que el pas requiere de desarrollo
tecnolgico en este rubro, se plantea la creacin de aplicaciones que
faciliten el uso de ese tipo de tecnologas para facilitar y servir
a la investigacin cientfica de la nacin, reduciendo costos y
tiempos y aumentando la productividad econmica.
Marco tericoINDICE
1.- INTRODUCCION A LA SECUENCIACION2.- ANTECEDENTES2.1.- EL
MTODO DE DEGRADACIN QUMICA2.2.- EL MTODO ENZIMTICO2.3.- LA TCNICA
DE PCR Y SU RELEVANCIA EN LA SECUENCIACIN DE ADN3.-SOFTWARE3.1
FUNDAMENTOS3.2-SOFTWARE DE SECUECIACION3.3-EJEMPLOS3.3.1.- SOFTWARE
LIBRE4.- HARDWARE
1 Introduccin a la secuenciacin de cidos nucleicos
Inicialmente, se pensaba que la secuenciacin de los cidos
nucleicos era mucho ms difcil que la de las protenas, y muy poco
progreso se hizo hasta 1960. Esto se debi, en parte, a la falta de
substratos puros del tamao adecuado, con los cuales desarrollar los
mtodos y en parte, a la composicin de los cidos nucleicos. Se
esperaba que la interpretacin de los resultados de la secuenciacin
de los cidos nucleicos (cuatro monmeros) fuera ms difcil que el de
las protenas (20 aminocidos), y se tendran que aislar productos de
degradacin ms grandes para poder traslaparlos y deducir sus
secuencias.
Por otro lado, el hecho de tener cuatro componentes solamente,
se pensaba, hara ms fciles los analices finales. Al inicio, la
dificultad predominante fue la interpretacin de los resultados,
pero a medida que las tcnicas se fueron mejorando y que se fueron
estudiando molculas ms largas, la cuestin del anlisis empez a ser
ms importante. Hoy, la secuenciacin de cidos nucleicos es ms rpida
y simple que la secuenciacin de protenas. La estrategia bsica de la
secuenciacin de cidos nucleicos es idnticaa la que se utiliza en la
secuenciacin de protenas. sta involucra:
1.- La degradacin especfica y el fraccionamiento de los poli
nucletidos de inters a fragmentos suficientemente pequeos para ser
secuenciados.2.- La secuenciacin de los fragmentos pequeos.3.- El
ordenamiento de los fragmentos a travs de la repeticin de los pasos
anteriores, usando un procedimiento de degradacin que produce una
serie de fragmentos de poli nucletidos que traslapan el punto de
corte en la primera serie.
2 Antecedentes
El primer cido nucleico en ser secuenciado fue el tARNAla de
levadura. La secuencia de este nucletido de 76 bases fue realizada
por Holley y colaboradores en siete aos (Stewart y Letham, 1977).
Ellos usaron mtodos de secuenciacin similares a los que se usaban
para secuenciar protenas; la hidrlisis parcial con enzimas y el
fraccionamiento de los productos en columnas de intercambio inico.
El grupo de Holley introdujo el uso de la ribonucleasa T1 (de
Aspergillus oryzae), la cual corta ARN despus de residuos de
guanina y de la ribonucleasa pancretica A, que corta despus de
residuos pirimdinicos. Poco despus, Frederick Sanger y sus
colaboradores dirigieron sus esfuerzos para desarrollar tcnicas de
fraccionamiento ms rpidas y simples, las cuales permitieron la
secuenciacin de ARN y luego de ADN. El grupo de Sanger marc el ARN
con 32P, y pudo detectarlo mediante auto radiografas. Adems,
introdujeron un mtodo ms sencillo para fraccionar los
oligonucletidos. Una tcnica de separacin bidimensional, con
electroforesis en acetato de celulosa, seguido de la electroforesis
de intercambio inico en papel. Siguiendo este enfoque general, el
grupo de Sanger desarrollo varios mtodos para estudiar los
nucletidos aislados (Sanger, 1988).Uno de los mtodos consista en
someter a los oligonucletidos digeridos con la ribonucleasa T1, a
una digestin parcial con una exonucleasa 5 y correr los productos
en una electroforesis sobre papel de dietilaminoetil
(DEAE)-celulosa a pH 1.9. La degradacin secuencial del extremo 5 da
una mezcla de fragmentos, en donde todos tienen el mismo extremo 3
pero difieren en sus extremos 5. En la electroforesis los
fragmentos se ordenan por tamao, y de la posicin relativa de dos
bandas adyacentes es posible identificar la naturaleza de los
nucletidos, por los cuales ellos difieren. Otro mtodo exitoso fue
la tcnica correra de puntos (wandering spot). Se desarroll un
sistema bidimensional en el que primero se digera con una
exonucleasa y los fragmentos obtenidos se ordenaban de acuerdo a su
tamao, de tal manera que cada punto difera del punto siguiente por
un nucletido. El sistema fue arreglado para que las posiciones
relativas de dos puntos vecinos dependieran de los nucletidos por
los cuales diferan. El mtodo fue extendido para usarse con
digestiones ms complejas, pero no fue posible distinguir la A de la
G con absoluta certidumbre. Con estos mtodos, se secuenci el ARN
ribosomal 5S de 120 residuos (Sanger, 1988). El arte de secuenciar
ARN por ests tcnicas alcanz su cenit en 1976, con la secuenciacin
del genoma de 3,569 nucletidos del bacterifago MS2 por Walter
Fiers. El principal problema con la secuenciacin del ADN era su
talla muy larga; el ADN ms pequeo que se encontraba disponible era
el de genomas de bacterifagos de cadena simple, de cerca de 5000
nucletidos, como el X174. Y stos eran muy largos para poder
secuenciarlos con los mtodos que existan hasta ese momento. Otra
dificultad era la falta de enzimas de restriccin adecuadas. No
exista una enzima con una especificidad anloga a la de la
ribonucleasa T1 para el ADN.Alrededor de 1973, se usaron tcnicas
similares a las empleadas con el ARN para secuenciar ADN, y se
pudieron determinar unas pocas secuencias de unos 50 residuos. Sin
embargo, los mtodos eran lentos y laboriosos, y result obvio que si
se iban a atacar secuencias vastas de materiales genticos, se
necesitaba un nuevo enfoque. Una alternativa a la hidrlisis parcial
fue usar tcnicas de copiado enzimtico para la secuenciacin. C.
Weissmann y sus colaboradores descubrieron que el bacterifago Q
tiene una ARN polimerasa que copia su propio ARN y desarrollaron
tcnicas para marcar el ARN y deducir su secuencia.
Hasta el momento, Sanger y su grupo haban obtenido en sus
experimentos ADN altamente marcado, usando el substrato radioactivo
con una actividad especfica alta y en bajas concentraciones. Ellos
observaron que cuando usaban 32P-ATP, los productos de ADN formados
se terminaban antes de que se incorporara una A. Debido,
presumiblemente, a que a la enzima le faltaba ATP. Esto les sugiri
un nuevo enfoque para secuenciar ADN. Si uno puede producir una
mezcla de fragmentos con el mismo extremo 5 (que corresponde al
extremo 5 del iniciador) y terminarlos en posiciones 3
correspondientes a las As, la determinacin de los tamaos relativos
de todos esos fragmentos debera producir una medida de la posicin
relativa de las As. Esto, combinado con datos similares de los
otros tres nucletidos, es todo lo que uno necesita para la
determinacin completa de una secuencia. Paralelamente, se
estudiaron otros mtodos de fraccionamiento, y la electroforesis en
gel de acrilamida resulto ser la ms eficiente. Con esta tcnica se
pudieron separar nucletidos de hasta 250 residuos de acuerdo a su
tamao. En el gel, los fragmentos ms pequeos migran ms rpido que los
ms grandes, y cada uno puede ser separado de sus vecinos, los
cuales difieren en tamao slo por un nucletido. Despus de introducir
ligeras modificaciones, desarrollaron el mtodo del ms y menos, con
el que se determin la mayora de la secuencia del bacterifago X174.
Sin embargo, el grupo de Sanger no tardara en desarrollar un mtodo
ms eficiente y confiable: el enzimtico, que se discute ms
adelante.
Despus de 1975, se realiz un progreso dramtico en la tecnologa
dela secuenciacin de los cidos nucleicos.
Tres avances hicieron esto posible:1.- El descubrimiento de las
endonucleasas de restriccin, enzims que cortan ADN de cadena doble
en secuencias especficas.2.- El desarrollo de mejores tcnicas de
secuenciacin de ADN.3.- El desarrollo de tcnicas de clonacin que
permitieron la adquisicin de un segmento de ADN en las cantidades
necesarias para secuenciarlo.
En 1977, se reportaron dos protocolos para la secuenciacin de
ADN. El primer mtodo fue el de Maxam y Gilbert. Con este mtodo, al
igual que con el de Sanger, se obtiene una autoradiografa en donde
puede leerse una secuencia. Sin embargo, se determina la secuencia
de una molcula de ADN utilizando qumicos que cortan en posiciones
especficas fragmentos marcados en sus extremos 5. El segundo mtodo
es el de Sanger. ste utiliza un templado de ADN de cadena sencilla
para sintetizar la hebra complementaria, la cual se termina en
posiciones especficas. En los dos casos, la secuencia de la molcula
se determina por diferencias en los tamaos de los fragmentos
generados.
2.1 El mtodo de degradacin qumica (Maxam and Gilbert, 1977).
En este mtodo, un fragmento de ADN de cadena doble o sencilla se
marca en los extremos 5 o 3 de una o ambas hebras con 32P. Despus,
la muestra de ADN se divide en cuatro alcuotas y se fragmenta en
cuatro reacciones qumicas distintas. Posteriormente, los fragmentos
de ADN generados pueden ser separados por electroforesis en cuatro
carriles distintos con base en su tamao. Conociendo el nucletido en
el que se realizaron los cortes, se puede inferir la secuencia de
la molcula original.
2.2 El mtodo enzimtico (Sanger et al., 1977).
El mtodo de secuenciacin enzimtico sali casi al mismo tiempo que
el de Maxam y Gilbert, pero ha sido ms utilizado. Esto se debe, en
gran parte, a que se han realizado grandes avances en la
automatizacin de esta tcnica, lo cual se discutir ms adelante. El
mtodo de Sanger se basa en el uso de la ADN polimerasa para
sintetizar cadenas de ADN con una terminacin especfica. Con este
mtodo se generan fragmentos de ADN de todos los tamaos posibles que
se puedan distinguir entre s, por el tipo de marcaje que llevan o
por la incorporacin de un terminador especfico. Las enzims del tipo
de la ADN polimerasa requieren de un templado de ADN de cadena
sencilla, y realizan la sntesis de la hebra complementaria
extendindola a partir de un iniciador en direccin 5 a 3. Entre los
componentes de la reaccin se incluyen nucletidos que no tienen un
grupo hidroxilo en su extremo 3 (ddNTP), para poder obtener una
terminacin especifica en las cadenas.Una vez que el ddNTP se
incorpora como el residuo terminal, evita que la cadena de ADN
sintetizada contine extendindose. La incorporacin de los ddNTPs es
al azar, de tal forma que se obtienen fragmentos de todos los
tamaos posibles que terminan en un residuo especifico.En el mtodo
de Sanger (1977), la estrategia es hacer cuatro reacciones
diferentes de sntesis de ADN, utilizando un ddNTP distinto en cada
tubo. Con la mezcla del nucletido normal (dNTP) y su terminador
(ddNTP), se pueden generar fragmentos complementarios de diferentes
tamaos que terminan en el mismo nucletido. Despus, estos fragmentos
se pueden separar en un gel de electroforesis con cuatro carriles
distintos, para determinar la secuencia del templado
El mtodo de Sanger tiene varias ventajas sobre el mtodo de
Maxam- Gilbert (Blackburn y Gait, 1996). Las reacciones de
secuenciacin del mtodo enzimtico se pueden realizar en unas horas,
en cambio las del mtodo de Maxam-Gilbert tardan al menos un da.
2.3 La tcnica de PCR y su relevancia en la secuenciacin de
ADN.
En 1985, el qumico Kary Mullis desarroll la tcnica de la reaccin
en cadena de la polimerasa (PCR). Este mtodo permite la
amplificacin exponencial de una molcula de ADN, generando millones
de copias de un fragmento. Esto se lleva acabo con oligonucletidos
que contienen un grupo extremo 3 libre, que es complementario con
la cadena molde de ADN. Los oligos funcionan como punto de inicio
para la adicin de nucletidos y para copiar la cadena molde en el
PCR. Una vez que el oligonucletido se une a su blanco, la
polimerasa de ADN puede seguir extendiendo la hebra complementaria.
En una reaccin tpica de PCR se usan dos oligonucletidos que
flanquean la regin de ADN que se desea amplificar. El nmero de
copias del fragmento de ADN que se encuentra entre los dos
oligonucletidos se amplifica con varios ciclos de reaccin.Cada
ciclo de una reaccin de PCR consta de tres pasos: 1)
Desnaturalizacin de las hebras de ADN2) Temperatura de 3). Extensin
de la cadena (BAUTISTA, S/F)
3 SOFTWARE3.1 FundamentosEl soporte lgico o software de una
computadora es el conjunto de programas que permiten realizar las
tareas asignadas a la mquina. Existe el software de sistema que es
en necesario para la manutencin de los recursos, y el software de
aplicacin que corresponde a las actividades ms especficas que se
pretenden realizar por la computadora para obtener alguna ganancia
especifica. (ANONIMO, S/F)3.2 Software en secuenciacin de ADNLa
secuenciacin del ADN permite el conocimiento directo de los genes,
pues determina el orden de los nucletidos que los componen, las
denominadas letras: A, T, C y G, que forman sus molculas.
El resultado de la secuenciacin es, justamente, una serie de
letras como ATGCTTGAGGTGATCTTATCGGTGATCGGCATCTGATC que sern
procesadas en dispositivos de lectura para la obtencin de datos
concretos en el ordenador. (ANONIMO, S/F)
3.3 EjemplosTal es el caso del secuenciador HITACHI ABI PRISM
3100, utiliza tubos EPPENDORF que contienen muestra tratada de ADN
previamente procesada con centrifugaciones y reactivos especficos y
que se insertan en placas de lectura del dispositivo para realizar
lecturas que proyectan resultados al software:
(HITACHI CORP, S/F)
3.3.1 Software libre
La pgina http://technelysium.com.au/, provee de software
econmico para realizar secuenciaciones en diversos dispositivos del
mercado actual. Este software tiene la siguiente apariencia en uso
cotidiano:
4 HARDWARE
Las computadoras convencionales cumplen con el cometido de
registrar datos concretos para la secuenciacion de genoma, sin
embargo, para este proyecto se requiere de mayor capacidad y una
tecnologia mas avanzada ya que la cantidad de informacion pretende
ser vastante extensa. Para el analisis de datos que requieran de
gran cantidad de calculos computados existen hoy en dia las mega
computadoras que abarcan varios cuartos y utilizan una gran
cantidad de energia, un ejemplo de este tipo de tecnologia es la
famosa jaguar, la alternativa a este medio de almacenamiento y
razonamiento artificial es el de las computadoras cuanticas, que
tienen costos mucho mas accesibles y reducido espacio para un
funcionamiento mas eficiente, este dispositivo trabaja con
temperaturas mas bajas por el comportamiento que el atomo tiene en
esta condicion de sistema, y realiza analisis binarios distintos a
las convencionales, ya que en vez de linearizar el 0 y el 1 lo
puede realizar varias veces haciendolo ambiguo y en todo sentido si
se considera desde un punto de vista cartesiano, esto quiere decir
que puede realizar un calculo 6 veces mas rapido que una super
computadora convencional (10 a la 25 calculos por segundo), y es
por eso que una computadora cuantica tiende a realizar un trabajo
mas eficiente en cuanto al almacenamiento de datos de un genoma o
de cruzas pertinentes para realizar las variaciones requeridas y la
compilacin de conciencia.Este tipo de tecnologia resultaria bastate
util para fines de investigacin ya que reduciria en gran medida los
tiempos de trabajo y potenciaria unos resultados mas concretos y
con menor margen de error.(TIME MAGAZINE, 2014)
Hiptesis.Puede potenciar un programa de software la investigacin
cientfica en el pas? Con la implementacin de un programa de
computadora verstil para los secuenciadores de ADN que permita un
sinfn de aplicaciones, se promover y mejorar la utilizacin de estos
dispositivos para mejorar la calidad de investigacin en el pas, se
creara nuevo campo de estudio en el rea gentica para garantizar y
mejorar la calidad de estas tecnologas que sern tiles y estarn al
servicio de los ciudadanos ya que habr ms y mejores estudios para
este contexto que optimizaran su calidad de vida. Metodologa.Para
lograr el objetivo es necesario un equipo de trabajo, de 9
programadores con conocimientos avanzados en biologa, qumica e
informtica, en donde existan equipos de 3 programadores, 2 activos
y un supervisor de proyecto, as mismo es indispensable un director
de proyecto con el cual se reunirn los supervisores para lograr
acuerdos y mejoras constantes.Sern necesarias inicialmente
computadoras power Mac por cada integrante, y en esencia la
programacin se llevara a cabo para un ordenador cuntico.
Los programadores trabajaran 3 veces por semana en jornadas de
11 horas diarias y descansaran 4 das a la semana, estarn encargados
de realizar primeramente el cdigo fuente y la implementacin de su
conocimiento de programacin para lograr la interface virtual.Sern
necesarios secuenciadores modernos de ltima generacin para el
establecimiento de las bases de datos de los genomas. La interaccin
entre el usuario y el programa permitir realizar las siguientes
funciones:-Secuenciacin de genoma de organismos con previa
preparacin de muestra de ADN.-Anlisis exhaustivo de las
caractersticas genotpicas y fenotpicas del organismo.-Perpetuacin
de la conciencia individualiza del organismo y su posible
modificacin gnica va ordenador.-Base de datos permanente para
organismo y su posterior implementacin o aplicacin especfica
sirviendo cierta necesidad en el mercado legal.La interface virtual
del programa tendra una vista preliminar similar a la
siguiente:
BIBLIOGRAFIAS
Bautista, Roco. (S/F) Las tres generaciones de la secuenciacin.
Plataforma Andaluza de Bioinformtica, Universidad de Mlaga. PDF
consultado Mayo de 2015.
HITACHI CORP. (S/F). Manual de inicio rpido para secuenciacin
Analizador gentico ABI PRISM 3100. PDF consultado Mayo de 2015.
Martnez, Javier. (2011) Presente y futuro de la tecnologa de la
realidad virtual. PDF consultado Mayo 2015
NECOCHEA, ROSALIA, (2004) MTODOS FISICOQUMICOS EN BIOTECNOLOGA:
SECUENCIACIN DE CIDOS NUCLEICOS. INSTITUTO DE BIOTECNOLOGA-UNAM.
PDF consultado Mayo de 2015.
Sedeo, Ana, (2000) LA COMPONENTE VISUAL DEL VIDEOJUEGO COMO
HERRAMIENTA EDUCATIVA. Facultad de Ciencias de la Comunicacin,
Universidad de Mlaga, Espaa. PDF consultado Mayo 2015
Time magazine. (2014) Quantum leap, Quantum computing articles.
Lev Grossman, February 17 2014.
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