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Biochips


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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.

 

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