Los biochips son dispositivos similares a los microchips de computadoras, aunque
con una amplia variedad de funciones para la medicina y la agricultura.Igual que
sucede con los circuitos de las computadoras, que son capaces de calcular
millones de operaciones matemáticas en sólo un segundo, los biochips realizan
millones de reacciones biológicas, como decodificar genes, en cuestión de
segundos.
Las compañías estadounidenses Motorola y Packard Instruments sumaron, en el año
1998, fuerzas con el laboratorio gubernamental Argonne National Laboratory para
producir cantidades masivas de biochips. Motorola
desarrollará el proceso de fabricación de los circuitos y Packard BioScience, se
ocupará de fabricar los instrumentos con los que probar dichos biochips.
En la actualidad el término biochip está tratando
de encontrar su correcta significación en el ámbito científico tecnológico ya
que, en ocasiones, con él se designan instrumentos con muy diferentes
aplicaciones en campos biológicos o informáticos, como la biocomputación, los
biodispositivos y la biología molecular. Como biodispositivo encontraríamos
aquellas aplicaciones de dispositivos electrónicos en los seres vivos como los
implantes de chips para controlar los temblores en la enfermedad de Parkinson o
los implantes cocleares. En la biocomputación por el contrario se emplean
sustancias biológicas con la finalidad de desarrollar nuevo hardware para
procesos computacionales, como ejemplo encontraríamos las memorias basadas en
conformaciones proteicas y la computación con ADN. (Fernando Martín-Sánchez y
Guillermo López-Campos, 1998).
En biología molecular el término biochip se asigna a aquellos dispositivos de
pequeño tamaño (chip) que contienen material biológico (bio) y que son empleados
para la obtención de información biológica. Estos dispositivos son también
conocidos como Microarrays o por nombres comerciales de las empresas que los
suministran. En general el término biochip se emplea dentro del campo de la
biología molecular para referirse a los dispositivos en los que se alcanza una
elevada densidad de integración de un material biológico inmovilizado sobre una
superficie sólida, por analogía con la elevada densidad de circuitos
electrónicos presente en un chip microelectrónico.
Los biochips son una de las más recientes herramientas con las que cuenta la
biología molecular. Desarrollados a finales de los 80´s, tienen su origen en los
ensayos realizados con anterioridad para la inmovilización de material biológico
sobre superficies sólidas. La inmovilización puede ser realizada de muy diversas
formas y sobre diferentes substratos como plástico, cristal o silicio. También
se pueden realizar biochips empleando para ello la inmovilización sobre
membranas u otros materiales porosos. Se pueden considerar como los herederos
más o menos sofisticados de los diferentes Blots (Southern, Western…).
En la actualidad se ha producido una explosión de estas técnicas que ha
conducido a una gran diversificación en las soluciones tecnológicas y en la
aparición de numerosas compañías en el sector. Esta diversidad ha permitido que
se hayan desarrollado chips que inmovilizan desde ácidos nucleicos, que es lo
más común, hasta tejidos (tissue chip), pasando por proteínas.
El fundamento de estos dispositivos radica en la inmovilización del material
biológico sobre una superficie sólida, para la realización de un ensayo de
afinidad entre el material inmovilizado (sonda) y el material de muestra
(blanco) que se desea analizar en paralelo, para lo cual se inmovilizan
diferentes sondas.
En estos dispositivos se dispone el material biológico de una forma regular,
ordenada y conocida sobre la superficie. Esta disposición permite el
establecimiento de una retícula formada por un conjunto de filas y de columnas
en el que cada posición es inequívoca y está identificada como en una matriz
matemática. Este tipo de disposición permite el conocimiento del material
depositado en cada posición.
La diversificación de soluciones tecnológicas dentro del campo de los biochips
ha permitido la diferenciación de estos en dos grandes grupos:
Biochips "comerciales": que son aquellos diseñados por empresas que inmovilizan
el material genético en la superficie del chip y lo fabrican en grandes
cantidades y que llegan a los investigadores listos para su empleo.
Biochips "personalizados" o "home-made-chips": Este término agrupa a aquellos
biochips que son fabricados por los propios investigadores en sus laboratorios.
En este caso los biochips deben ser diseñados y fabricados por los propios
investigadores. Con esta finalidad se han desarrollado y comercializa unos
robots (arrayers) capaces de recoger y depositar sobre la superficie del chip el
material biológico a inmovilizar.
La metodología fundamental de trabajo en un ensayo con biochips es la misma
independientemente del tipo de biochip que se emplee; las diferencias se pueden
encontrar únicamente en los dos primeros pasos, en el diseño y en la fabricación
ya que en un caso es el investigador el encargado de llevarlos a cabo, mientras
que si se usan los biochips "comerciales" estos pasos son realizados por la
empresa fabricante. Los pasos a seguir son los siguientes:
Diseño del biochip: durante este proceso se produce la selección del tipo y
cantidad de material biológico que se va a inmovilizar sobre la superficie, que
variará en función del tipo de experimento que se desee llevar a cabo. Se
determina también la densidad de integración, es decir el número de sondas que
se desean inmovilizar sobre la superficie del chip, que se verá limitada por el
método de fabricación que se desee emplear. Se seleccionan los estándares
internos para el tipo de ensayo.
Todas estas selecciones deben ser realizadas por el investigador en el caso de
que se vaya a emplear un biochip "personalizado".
Fabricación: este paso esté muy diversificado como consecuencia de la gran
cantidad de soluciones tecnológicas presentes en el mercado. Este paso determina
la densidad de integración que se puede lograr en un chip. En general las
grandes empresas que comercializan los chips ya listos, son capaces de ofrecer
mayores densidades de integración que las que se pueden alcanzar empleando los
arrayers para la fabricación en el laboratorio de un biochip personalizado.
Hibridación y lavado: a partir de este paso el procedimiento de trabajo es
exactamente igual para los chips comerciales y para los personalizados, con
algunas diferencias debidas a las diferentes soluciones tecnológicas empleadas.
Resulta un paso clave ya que en el se produce la reacción de afinidad en la que
se hibridan las hebras de ADN de la muestra marcadas para permitir su posterior
identificación, con sus complementarias inmovilizadas en la superficie del chip.
Según las condiciones en las que se produzca esta reacción de afinidad se
obtendrán mejores o peores resultados posteriormente en el proceso de revelado.
El lavado se realiza para eliminar las interacciones inespecíficas que se dan
entre la muestra y el material inmovilizado o la superficie del biochip.
Revelado: es un proceso que viene condicionado por la gran variedad de
alternativas tecnológicas diseñadas para esta función. Entre estas soluciones
las más comunes son la utilización de escáneres láser y cámaras CCD para la
detección de marcadores fluorescentes con los que se ha marcado la muestra. Otra
solución algo más económica es la utilización de isótopos radiactivos para el
marcaje de los blancos y su posterior detección.
Almacenamiento de resultados: tras el revelado al que se someten los biochips se
debe proceder al almacenamiento de los datos obtenidos.
Análisis de resultados: etapa final de todo experimento con la tecnología basada
en biochips. A este paso llegan los datos procedentes del revelado y se
presentan en forma numérica o en forma de una imagen de 16 bits en la cual se
pueden apreciar los puntos en los que la reacción de hibridación ha sido
positiva y los puntos en los que no ha habido tal hibridación. Es en este punto
en el que se aplican una mayor cantidad de elementos de software bioinformático
destinados a la extracción de conocimiento del experimento realizado.
Bioinformática
La Investigación Biomédica, una disciplina basada
en la información, esta inmersa en profundos cambios a medida que las nuevas
aproximaciones experimentales generan enormes volúmenes de datos sin
precedentes. La Biología y la Medicina están apoyándose cada vez mas en la
aplicación de las Ciencias de la Información.
La Bioinformática, el campo interdisciplinar que se encuentra en la intersección
entre las Ciencias de la Vida y de la Información, proporciona las herramientas
y recursos necesarios para favorecer la Investigación Biomédica. Este campo
interdisciplinar comprende la investigación y desarrollo de herramientas útiles
para llegar a entender el flujo de información desde los genes a las estructuras
moleculares, a su función bioquímica, a su conducta biológica y, finalmente, a
su influencia en las enfermedades y en la salud.
La Bioinformática comprende tres subespecialidades:
La investigación y desarrollo de la infraestructura y sistemas de información y
comunicaciones que requiere la biología moderna. (Redes y bases de datos para el
genoma, estaciones de trabajo para procesamiento de imágenes). Bioinformática en
sentido estricto.
La computación que se aplica al entendimiento de cuestiones biológicas básicas,
mediante la modelización y simulación. (Sistemas de Vida Artificial, algoritmos
genéticos, redes de neuronas artificiales). Biología Molecular Computaciónal.
El desarrollo y utilización de sistemas computacionales basados en modelos y
materiales biológicos. (Biochips, biosensores, computación basada en ADN). Los
computadores basados en DNA se están empleando para la secuenciación masiva y el
screening de diversas enfermedades, explotando su característica de
procesamiento paralelo implícito. Biocomputación.
Procesadores con ADN
Los científicos siguen dando pasos de gigante
para que algún día sea posible utilizar ADN en tareas informáticas. De momento,
especialistas de la University of Wisconsin-Madison han conseguido trasladar una
muestra de este material genético desde el mundo flotante de un tubo de ensayo a
la superficie rígida de una placa de cristal y oro.
Con ello, no es descabellado pensar que, en el futuro, el ADN pueda ser usado
para llevar a cabo las mismas tareas que ahora precisan de innumerables
circuitos electrónicos y silicio.
La computación mediante ADN es una tecnología aún en pañales. Expertos como
Lloyd Smith buscan capitalizar la enorme capacidad de almacenamiento de
información de estas moléculas biológicas, las cuales pueden efectuar
operaciones similares a las de una computadora a través del uso de enzimas,
catalizadores biológicos que actúan como el software que ejecuta las operaciones
deseadas.
La colocación del ADN sobre una superficie sólida, alejándolo del tubo de
ensayo, es un paso importante porque simplifica su manipulación y acceso.
Demuestra también que será posible aumentar su complejidad para resolver mayores
problemas.
En los experimentos de Wisconsin, un grupo de moléculas de ADN fueron aplicadas
sobre una pequeña placa de cristal recubierta por oro. En cada experimento, el
ADN fue adaptado de manera que se incluyeran todas las posibles respuestas a un
problema determinado. Exponiendo las moléculas a ciertos enzimas, las moléculas
con las respuestas incorrectas fueron eliminadas, dejando sólo las que poseían
las contestaciones correctas.
Las moléculas de ADN pueden almacenar mucha más información que un chip
convencional de computadora. Se ha estimado que un gramo de ADN secado puede
contener tanta información como un billón de CD’s. Además, en una reacción
bioquímica que ocurriese sobre una pequeñísima área, cientos de billones de
moléculas de ADN podrían operar en concierto, creando un sistema de
procesamiento en paralelo que imitaría la habilidad de la más poderosa
supercomputadora.
Los chips que se emplean en las computadoras normales representan la información
en series de impulsos eléctricos que emplean unos y ceros. Se usan fórmulas
matemáticas para manipular el código binario y alcanzar la respuesta. La
computación por ADN, por su parte, depende de información representada como un
patrón de moléculas organizadas en un hilo de ADN. Ciertos enzimas son capaces
de leer este código, copiarlo y manipularlo en formas que se pueden predecir.
La computación convencional mediante chips está alcanzando los límites de la
miniaturización. El ADN es una de las alternativas a estudiar seriamente.
Inteligencia artificial
La última generación en inteligencia artificial
se llama 'algoritmos genéticos', en el que la computadora no sólo simula el
funcionamiento neural biológico, sino que establece también cadenas de ADN
(ácido desoxirribonucleico) para establecer, como ocurre en la naturaleza,
características especiales.
Ingenieros de la NASA trabajan en el diseño de
computadoras del tamaño de una molécula de proteína, que servirán para rastrear
y reparar daños celulares en el organismo humano.
Meyya Meyyappan para Nanotecnología de la NASA, explicó que los "minúsculos
médicos robots" que entrarán al torrente sanguíneo serán creados para reparar
las lesiones causadas por accidentes, enfermedades, atacar virus y bacterias,
así como eliminar células cancerosas. Explicó que aunque todavía no hay ningún
nanorrobot en funcionamiento (con un tamaño equivalente a la diez mil
millonésima parte de un metro), los ingenieros cuentan con diseños teóricos
propuestos.
Robert Freitas, autor del libro Nanomedicine, precisó que el carbono será el
principal elemento que los constituirá, y que el hidrógeno, azufre, oxígeno,
nitrógeno, nitrógeno, silicio, entre otros, se utilizarán para fabricar los
engranajes y otras partes del sistema.
Bases de Datos obtenidos mediante
biochips
La situación actual pasa por la acumulación de
los datos de los resultados de los experimentos basados en biochips en las bases
de datos privadas de los investigadores. El importante auge que estas técnicas
están teniendo en el ámbito de la investigación biomédica así como la extensión
de su uso está sirviendo como un motor importante para el desarrollo de bases de
datos públicas, impulsando la aparición de proyectos destinados a la generación
de estos repositorios públicos con datos de estos experimentos en los que estos
datos puedan ser almacenados para su posterior comparación y análisis. Una de
las consecuencias de la gran capacidad de los biochips es que han permitido el
desarrollo de grandes bases de datos de expresión génica, pudiendo ser estas
bases de datos de expresión génica privadas y comercializadas, como por ejemplo
Gene Express de Gene Logic, que es una base de datos generada empleando los
GeneChips de Affymetrix.
Los proyectos de creación de bases de datos públicas tienen que ir
necesariamente de la mano con los procesos de estandarización del trabajo con
biochips, en este sentido es muy importante la estandarización de elementos
tales como los controles internos empleados en los experimentos, los formatos en
los que son presentadas las imágenes para ser almacenadas y la anotación de la
información del material que se ha inmovilizado en cada punto del biochip.
En estos momentos existen diversas bases de datos capaces de recibir los datos
de los resultados de los biochips, pero en muchos casos son bases de datos de
expresión génica en general, es decir estas bases de datos lo que reciben es
exclusivamente los resultados del proceso. Por el contrario se está
desarrollando una nueva línea de trabajo que está dirigiendo sus pasos hacia la
creación de bases de datos exclusivas de biochips con los datos de este tipo de
experimentos.
En las bases de datos diseñadas para utilizar con
los biochips se podrían dar dos posibilidades, una en la que se almacenarían las
imágenes y los datos numéricos de cada experimento, que tendría como ventaja el
ser menos voluminosa, y una segunda opción en la cual lo que se almacenaría
sería los experimentos, es decir, se almacenaría la información completa del
ensayo, con la procedencia del material inmovilizado correspondientemente
anotado, el protocolo seguido, etc. Esta segunda opción es más completa y
contiene más información, siendo este mayor volumen el posible inconveniente. |
