{"id":208873,"date":"2016-01-12T14:31:36","date_gmt":"2016-01-12T16:31:36","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=208873"},"modified":"2016-01-12T14:31:36","modified_gmt":"2016-01-12T16:31:36","slug":"la-estructura-matematica-del-adn","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/la-estructura-matematica-del-adn\/","title":{"rendered":"La estructura matem\u00e1tica del ADN"},"content":{"rendered":"

\"castelli_equacao1_final\"sandro castelli<\/span>Un grupo de investigadores brasile\u00f1os de las universidades de Campinas (Unicamp) y de S\u00e3o Paulo (USP) est\u00e1n revelando en art\u00edculos cient\u00edficos que las secuencias gen\u00e9ticas pueden tener una estructura matem\u00e1tica similar a los C\u00f3digos Correctores de Errores (ECC, la sigla en ingl\u00e9s para error-correcting codes<\/em>) que se emplean tanto en el sistema de transmisi\u00f3n como en el de grabaci\u00f3n digital. Los ECCs son un conjunto de comandos insertos en el software<\/em> instalado en los chips de las computadoras, en dispositivos de telecomunicaciones, televisores y smartphones<\/em> para corregir informaci\u00f3n digitales defectuosa durante el transcurso de una conversaci\u00f3n telef\u00f3nica o, por ejemplo, en el almacenamiento de datos en el disco r\u00edgido de una computadora.<\/p>\n

La misma l\u00f3gica matem\u00e1tica, seg\u00fan los investigadores, se encuentra presente en la formaci\u00f3n del ADN, el \u00e1cido desoxirribonucleico que cobija los genes en las c\u00e9lulas y todas las instrucciones para el desarrollo y sost\u00e9n de un ser vivo. En el estudio, ellos compararon las ecuaciones algebraicas de un c\u00f3digo corrector de errores con ciertas secuencias del ADN, atribuy\u00e9ndole una l\u00f3gica a los nucle\u00f3tidos que conforman el genoma \u2012timina (T), guanina (G), citosina (C) y adenina (A)\u2012 y descubrieron que existen patrones que ligan al nucle\u00f3tido con un n\u00famero. De este modo, dependiendo del tipo de secuencia, el A est\u00e1 representado por el 0, el C es el 2, el G es el 1, y al T, le corresponde el 3, por ejemplo. En el lenguaje digital, conformado por bits, las informaciones se traducen como 0 y 1. \u201cDemostramos que el ADN presenta secuencias que siguen estructuras matem\u00e1ticas y las mismas reglas de la comunicaci\u00f3n digital\u201d, comenta M\u00e1rcio de Castro Silva Filho, del Departamento de Gen\u00e9tica de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq), de la USP. \u201cLa secuencia del ADN no es aleatoria, sigue un modelo\u201d, dice Castro Silva.<\/p>\n

El estudio m\u00e1s reciente del grupo se public\u00f3 en julio en la revista Scientific Reports<\/em>, de la misma editorial que publica la revista Nature<\/em>. En la introducci\u00f3n, los investigadores escribieron que los sistemas de comunicaci\u00f3n biol\u00f3gica y digital exhiben similitudes en relaci\u00f3n con los procedimientos correspondientes empleados para transmitir la informaci\u00f3n desde un punto a otro. Seg\u00fan ellos, la informaci\u00f3n contenida en el ADN se copia (transcripci\u00f3n) en forma de ARN, que encauzar\u00e1 el ordenamiento de los amino\u00e1cidos en las prote\u00ednas necesarias para el funcionamiento de la c\u00e9lula con una l\u00f3gica matem\u00e1tica. En el estudio, los cient\u00edficos presentan una herramienta inform\u00e1tica que apunta a comprender la v\u00eda evolutiva del c\u00f3digo gen\u00e9tico al analizar, por ejemplo, a la Arabidopsis thaliana<\/em>, una especie vegetal modelo en estudios gen\u00e9ticos, y la formaci\u00f3n de los nucle\u00f3tidos en conglomerados de tres letras a los que se denomina cod\u00f3n. En casos raros, ese agrupamiento biol\u00f3gico \u2012TGA, por ejemplo\u2012 revel\u00f3 diferencias que no concordaban con los resultados que presenta el ECC.<\/p>\n

\"Las

sandro castelli<\/span>Las letras y n\u00famero en rojo indican una mutaci\u00f3n en la secuencia gen\u00e9ticasandro castelli<\/span><\/p><\/div>\n

Cuando present\u00f3 el problema en el Congreso Brasile\u00f1o de Gen\u00e9tica, en 2011, Castro Silva escuch\u00f3 una pregunta del bi\u00f3logo Everaldo Barros, de la Universidad Cat\u00f3lica de Brasilia, que le sirvi\u00f3 de ayuda para hallar un camino. Barros quer\u00eda saber si aquella alteraci\u00f3n en un cod\u00f3n del ADN del camote no correspond\u00eda a un c\u00f3digo ancestral. Castro Silva y el ingeniero electr\u00f3nico Reginaldo Palazzo J\u00fanior, de la Facultad de Ingenier\u00eda El\u00e9ctrica y de Computaci\u00f3n (FEEC) de la Unicamp, otro de los coordinadores del grupo, se abocaron a la b\u00fasqueda de una respuesta. Junto con las doctorandas Luzinete Cristina Bonani Faria y Andr\u00e9a Santos Leite da Rocha, demostraron que la diferencia detectada entre la secuencia derivada del c\u00f3digo de errores para esa especie es una mutaci\u00f3n\u00a0 que no incide en las ecuaciones matem\u00e1ticas del genoma primigenio de la batata, que se encuentra en secuencias de organismos m\u00e1s antiguos, tales como las algas prymnesophytes<\/em> o en variantes mitocondriales ancestrales del c\u00f3digo gen\u00e9tico. La mitocondria es un org\u00e1nulo de la c\u00e9lula que conserva vestigios del material gen\u00e9tico arcaico. Por eso, tan s\u00f3lo el ADN m\u00e1s antiguo encaja con esa ecuaci\u00f3n.<\/p>\n

\u201cLa secuencia del gen que codifica la subunidad delta de la prote\u00edna F1-ATPasa de la batata presenta el cod\u00f3n TGG que codifica al amino\u00e1cido tript\u00f3fano. Con todo, la secuencia que genera el c\u00f3digo matem\u00e1tico para el cod\u00f3n tript\u00f3fano era TGA, lo cual introducir\u00eda un stop<\/em> en la s\u00edntesis de la prote\u00edna, inviabilizando su funci\u00f3n. En principio, esa alteraci\u00f3n generada por el c\u00f3digo matem\u00e1tico estar\u00eda equivocada\u201d, dice Castro Silva. Cuando verificamos el amino\u00e1cido tript\u00f3fano que se encuentra all\u00ed ancestralmente, codificado por el cod\u00f3n TGA, la ecuaci\u00f3n cerr\u00f3, y entonces comprendimos que lo que all\u00ed ocurri\u00f3 fue una mutaci\u00f3n\u201d, dice Palazzo. Esta clase de mutaci\u00f3n ya se conoc\u00eda a trav\u00e9s del proceso bioqu\u00edmico, pero nunca se la hab\u00eda identificado mediante un proceso matem\u00e1tico.<\/p>\n

Los investigadores est\u00e1n realizando ahora un estudio filogen\u00e9tico para conocer m\u00e1s acerca de la evoluci\u00f3n de las especies desde el punto de vista matem\u00e1tico y biol\u00f3gico. Ellos analizan las secuencias gen\u00e9ticas para comprobar si las mutaciones halladas presentan en los individuos caracter\u00edsticas relevantes para la funcionalidad de la especie. Los estudios actuales se est\u00e1n llevando a cabo en genomas de plantas y animales para confirmar si el modelo matem\u00e1tico presenta efectivamente una relaci\u00f3n estricta con lo que ocurre en la biolog\u00eda.<\/p>\n

El hallazgo condujo al grupo a depositar una patente internacional del modelo de uso del sistema que ellos desarrollaron, que ya les fue concedida en Estados Unidos. \u201cEsa estructura matem\u00e1tica ser\u00eda importante en el \u00e1rea de la ingenier\u00eda de prote\u00ednas para la producci\u00f3n de organismos gen\u00e9ticamente modificados, nuevos medicamentos, vacunas y alterar la secuencia del ADN en futuros sistemas de terapia g\u00e9nica, o, incluso, para la producci\u00f3n y descubrimiento de nuevas prote\u00ednas a partir del c\u00f3digo matem\u00e1tico\u201d, explica Castro Silva, un ingeniero agr\u00f3nomo con maestr\u00eda y doctorado en gen\u00e9tica y biolog\u00eda molecular, y experto en transporte de prote\u00ednas.<\/p>\n

Tambi\u00e9n ser\u00eda posible, en el futuro, en un tratamiento contra la diabetes, por ejemplo, el estudio de los genes ligados a la enfermedad por medio de una estructura matem\u00e1tica, y su correcci\u00f3n para que ese problema desaparezca. Castro Silva avizora que la industria farmac\u00e9utica obtendr\u00e1 grandes beneficios con esta nueva forma de concebir al ADN, pues tanto la comprensi\u00f3n de las enfermedades como la formulaci\u00f3n de medicamentos con un blanco m\u00e1s espec\u00edfico de alcanzar se ver\u00e1n facilitados por el uso del c\u00f3digo matem\u00e1tico.<\/p>\n

Alteraciones secuenciales
\n<\/strong>Entre los matem\u00e1ticos y los cient\u00edficos de la computaci\u00f3n, el c\u00f3digo que utilizaron los investigadores brasile\u00f1os se conoce por las letras BCH, las iniciales del franc\u00e9s Alexis Hocquenghem y de los indios Raj Chandra Bose y Dwijendra Kumar Ray-Chaudhuri, quienes lo descubrieron entre 1959 y 1960. El BCH es tan s\u00f3lo uno de los c\u00f3digos correctores de errores existentes. Mediante la utilizaci\u00f3n de ese c\u00f3digo, bi\u00f3logos, bioqu\u00edmicos y farmac\u00e9uticos, posiblemente con la colaboraci\u00f3n de matem\u00e1ticos, podr\u00e1n efectuar an\u00e1lisis preliminares con las secuencias en computadora para testear la alteraci\u00f3n de amino\u00e1cidos, prote\u00ednas y mutaciones, y reci\u00e9n entonces pasar\u00eda al laboratorio para comprobar si el resultado est\u00e1 correcto. \u201cLa existencia de una estructura matem\u00e1tica en las secuencias de ADN implica una complejidad computacional enorme, pero factible para la realizaci\u00f3n de an\u00e1lisis y previsiones de mutaciones\u201d, dice Palazzo, quien es ingeniero electr\u00f3nico y se desempe\u00f1a en las \u00e1reas de teor\u00edas de la informaci\u00f3n y codificaci\u00f3n. En la actualidad, este proceso de alteraci\u00f3n para la producci\u00f3n de un organismo modificado gen\u00e9ticamente o de un medicamento se lleva a cabo mediante pruebas de laboratorio extensivas. La funci\u00f3n del c\u00f3digo matem\u00e1tico en los procesos biotecnol\u00f3gicos consistir\u00e1 en minimizar la aparici\u00f3n de errores en el n\u00facleo de la c\u00e9lula, luego de la transcripci\u00f3n g\u00e9nica del ADN en ARN, el \u00e1cido ribonucleico que rige la s\u00edntesis de la prote\u00edna en los ribosomas.<\/p>\n

La posibilidad de asociar los c\u00f3digos de correcci\u00f3n de errores con las secuencias del ADN no es nueva. Uno de los principales estudiosos del tema es el profesor Hubert Yockey, quien trabaja en el \u00e1rea desde la d\u00e9cada de 1980 en la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos. Otro investigador del \u00e1rea es G\u00e9rard Battail, docente jubilado de la Escuela Nacional Superior de Telecomunicaciones, en Francia, quien public\u00f3 varios art\u00edculos donde propone la relaci\u00f3n entre el c\u00f3digo de correcci\u00f3n de errores y el genoma. Ellos han demostrado el proceso y esgrimido hip\u00f3tesis, pero no presentaron las relaciones matem\u00e1ticas concretas con el ADN. Los brasile\u00f1os lograron establecer esa relaci\u00f3n en las secuencias gen\u00e9ticas productoras de prote\u00ednas. \u201cAl conocer la estructura matem\u00e1tica del gen que codifica la prote\u00edna, es posible alterar el orden de las bases y tambi\u00e9n corregir las mutaciones o errores que puedan ocurrir para que la misma retorne a la condici\u00f3n original de una prote\u00edna\u201d, dice Castro Silva.<\/p>\n

El estudio inicial surgi\u00f3 con Palazzo, quien sugiri\u00f3 las dos doctorandas, en 2008, el desaf\u00edo de elaborar un modelo para la transmisi\u00f3n de la informaci\u00f3n, en el caso de las prote\u00ednas, entre el n\u00facleo celular y la mitocondria. Para ello, Bonani y Leite se contactaron con Castro Silva, en la Esalq. El di\u00e1logo fue fruct\u00edfero y ambas comenzaron a testear algunos modelos matem\u00e1ticos de sistemas de comunicaci\u00f3n con el objetivo de hallar uno que se adecuara al modelo biol\u00f3gico. Luego de algunos meses, ellas le mostraron el resultado a Castro Silva, quien, al principio, supuso que tan s\u00f3lo habr\u00eda una coincidencia entre las secuencias generadas por el ECC y la biol\u00f3gica en relaci\u00f3n con los amino\u00e1cidos. Con el avance de la investigaci\u00f3n, se fueron realizando estudios de las secuencias de ADN en diferentes seres vivos y el resultado se mantuvo, independientemente de la especie. El hallazgo tambi\u00e9n cont\u00f3 con la participaci\u00f3n del entonces doctorando Jo\u00e3o Henrique Kleinschmidt, ingeniero de la computaci\u00f3n y actualmente profesor de la Universidad Federal del ABC (UFABC), y, m\u00e1s recientemente, de la bi\u00f3loga Larissa Spoladore, doctoranda de la Esalq, y del bi\u00f3logo Marcelo Brand\u00e3o, docente de la Unicamp.<\/p>\n

En 2009, Castro Silva, Palazzo, Bonani y Leite enviaron un art\u00edculo a la revista Electronics Letters<\/em>, que fue publicado en la edici\u00f3n de febrero de 2010 (lea en <\/em>Pesquisa FAPESP, edici\u00f3n n\u00ba 178<\/em><\/a>). \u201cAhora, con la publicaci\u00f3n en la Scientific Reports<\/em> creemos que la comunidad mundial del \u00e1rea de las ciencias biol\u00f3gicas podr\u00e1 interesarse m\u00e1s\u201d dice Castro Silva. \u201cHasta donde sabemos, no hay ning\u00fan otro grupo dedic\u00e1ndose a una investigaci\u00f3n en este sentido, seg\u00fan la literatura abierta, porque podr\u00eda haber alguien de la industria farmac\u00e9utica, en forma cerrada, desarrollando algo al respecto\u201d.<\/p>\n

\u201cTal como sucede con diversos otros hallazgos cient\u00edficos, \u00e9ste transitar\u00e1 un largo camino hasta que se lo acepte y pueda utilizarse. Ellos han dado un salto que, sin lugar a duda, constituye la ruptura de un paradigma\u201d, dice el bi\u00f3logo Rog\u00e9rio Margis, docente del Centro de Biotecnolog\u00eda de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS). \u201cSupongo que surgir\u00e1n nuevos desaf\u00edos con el descubrimiento de este modelo que trasciende la secuencia lineal de las bases y agrega otro manto de complejidad y de patrones de c\u00f3digo en la mol\u00e9cula de ADN. Para expandir este tipo de an\u00e1lisis ser\u00e1 necesario contar con una gran infraestructura inform\u00e1tica\u201d, comenta Margis. \u201cPor ahora, los estudios de ellos no han tenido el impacto y la repercusi\u00f3n esperada en la comunidad cient\u00edfica. Uno de los problemas radica en que el estudio, si bien es \u00fanico, abarca distintas \u00e1reas, tales como la biolog\u00eda y la matem\u00e1tica, que interact\u00faan escasamente\u201d, dice.<\/p>\n

\u201cYa he presentado los estudios en eventos realizados en el exterior, pero creo que suscitan cierta desconfianza, y por razones. El tema es extremadamente complejo, poca gente logra desenvolverse en ambas \u00e1reas, la gen\u00e9tica y los c\u00f3digos correctores de errores, el grupo est\u00e1 conformado por brasile\u00f1os y el trabajo de 2010 se divulg\u00f3 en una revista del \u00e1rea de la ingenier\u00eda el\u00e9ctrica\u201d, explica Castro Silva. El inter\u00e9s mayor por los estudios, seg\u00fan \u00e9l, partir\u00e1 de los que trabajan en biolog\u00eda molecular y biotecnolog\u00eda. Por el lado de la matem\u00e1tica, ser\u00edan los grupos de teor\u00eda de la informaci\u00f3n y la comunicaci\u00f3n. Pero eso s\u00f3lo suceder\u00e1 si hubiera una integraci\u00f3n multidisciplinaria, tal como ocurri\u00f3 en el caso del descubrimiento.<\/p>\n

Proyectos<\/strong>
\n1.<\/strong> C\u00f3digo matem\u00e1tico de generaci\u00f3n y decodificaci\u00f3n de la secuencia del ADN y prote\u00ednas: utilizaci\u00f3n en la identificaci\u00f3n de ligandos y receptores (n\u00b0 2008\/04992-0<\/a>); Modalidad <\/strong>Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual (Papi); Investigador responsable<\/strong> M\u00e1rcio de Castro Silva Filho (USP); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 13.200,00 y US$ 20.000,00
\n2.<\/strong> Herbivory and intracellular transport of proteins (n\u00ba 2008\/52067-3<\/a>); Modalidad<\/strong> Proyecto Tem\u00e1tico; Investigador responsable<\/strong> M\u00e1rcio de Castro Silva Filho (USP); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 1.392.217,77 y US$ 169.187,06
\n3.<\/strong> Biolog\u00eda de sistemas aplicada a la agricultura: an\u00e1lisis de transcriptomas e interactomas (n\u00ba 2011\/00417-3<\/a>); Modalidad<\/strong> Programa J\u00f3venes Investigadores en Centros Emergentes; Investigador responsable<\/strong> Marcelo Mendes Brand\u00e3o (Unicamp); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 199.169,39 y US$ 3.846,15.<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos<\/em>
\nBRAND\u00c3O, M. M., et al<\/em>. Ancient DNA sequence revealed by error-correcting codes.<\/a> Scientific Reports<\/strong>. v. 5, n. 12051. jul. 2015.
\nFARIA, L. C. B., et. al.<\/em> Transmission of intra-cellular genetic information: A system proposal.<\/a> Journal of Theoretical Biology<\/strong>. v. 358, p. 208-31. oct 2014.
\nFARIA, L. C. B., et al<\/em>. Is a Genome a Codeword of an Error-Correcting Code?<\/a>\u00a0PLOS ONE<\/strong>. v. 7, n. 5, e 36644. may. 2012.
\nFARIA, L. C. B. et. al.<\/em> DNA sequences generated by BCH codes over GF(4)<\/a>. Electronics Letters<\/strong>. v. 46, n\u00b0. 3, p. 202-3. feb 2010.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"El c\u00f3digo gen\u00e9tico es similar al funcionamiento del sistema digital","protected":false},"author":10,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[278,306],"coauthors":[97],"class_list":["post-208873","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es","tag-biologia-es","tag-genetica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/208873","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/10"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=208873"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/208873\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=208873"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=208873"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=208873"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=208873"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}