Una Introducción a la Biología de Sistemas

En esta ocasión vamos a tratar un tema bastante interesante y relacionado con la biología sintética; se trata de la biología de sistemas.

Primero tendremos una breve introducción a la biología a nivel celular. También sabremos qué es un sistema y cuáles son las diferencias entre un sistema biológico y uno en el área de la ingeniería. Después, conoceremos algunas aplicaciones del enfoque de biología de sistemas hechas por científicos en México. Finalmente, mencionaremos el papel de esta disciplina en la biología sintética.

 

Conceptos básicos

La célula es la unidad funcional y estructural de los seres vivos. Todas las células poseen ácido desoxirribonucleico (ADN) como la molécula que porta la información para hacer un organismo. Además, el ácido ribonucleico (ARN) es el intermediario entre el ADN y las proteínas.

Las proteínas pueden tener una función estructural, catalítica o mensajera. Todos los procesos celulares están muy regulados en cada capa de información. Sin embargo, el ambiente influye en la célula y sus procesos internos.

 

“El todo es más que la suma de sus partes”

Muchas personas consideran que las células o los seres vivos son máquinas; esta visión data de la época de René Descartes, un filósofo francés. El pensar en los organismos como “máquinas” puede ser un punto de partida para conocer las partes en busca de la comprensión del todo, pues en ingeniería al entender el funcionamiento de cada componente es posible saber qué hace la máquina.

Sin embargo, en biología no basta con describir a los componentes, pues las interacciones entre los mismos y el ambiente definen ciertas “propiedades emergentes”, las cuales no pueden ser explicadas por medio de la descripción de los elementos aislados; un ejemplo es la consciencia, pues no puede ser explicada por la sola caracterización de las neuronas. Es por esto que si bien el enfoque reduccionista ha aportado mucha información a lo largo de la historia de la ciencia, no es suficiente para comprender en su totalidad al objeto de estudio.

En el enfoque reduccionista se analiza cada parte por separado; qué es “cada parte” depende de la visión de quien lleve a cabo la investigación. Por ejemplo, quien se dedica a la química podría pensar en átomos y moléculas, mientras que quien haga biología molecular pensaría en genes y proteínas, como en el caso de Jacques Monod y François Jacob, quienes recibieron el premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1965 por sus aportaciones a la biología de la regulación genética en bacterias. Encontraron que el control de la expresión de los genes es afectado por las condiciones del medio en el que vive el organismo. Ellos describieron el funcionamiento del “operón lac”, un arreglo de tres genes relacionados con la asimilación del azúcar de la leche, la lactosa.

Se podría decir que Claude Bernard, el padre de la fisiología, fue el primer biólogo de sistemas. Él dijo que “la constancia del medio interno es la condición para una vida libre e independiente”. Seguramente muchos han oído hablar del concepto de la “homeostasis”; pues Claude Bernard se refería precisamente a eso: al equilibrio dentro del cuerpo o la célula. El problema de su época consistía en que la información disponible era muy escasa, casi nula; por el contrario, hoy en día tenemos muchos datos provenientes de experimentos masivos, que si bien todavía no son suficientes para resolver todas nuestras dudas, pueden ayudarnos a obtener un panorama más claro de la complejidad subyacente.

 

claude

Es aquí donde se vuelve necesario resaltar que la biología de sistemas es un paradigma integrativo. Un paradigma es una forma de pensar. Se busca estudiar a los componentes y a las interacciones entre ellos, estudiar a los organismos como sistemas.

 

¿Y qué es un sistema?

Un sistema está formado por: entradas, salidas, una frontera, relaciones, restricciones, componentes y posee una organización. Además, en el campo de la ingeniería, un sistema tiene “teleología”, un comportamiento orientado hacia algún objetivo que motivó y guió su diseño; empero, en la biología dado que los organismos no son diseñados, sino que evolucionan, el concepto de “teleología” cambia por el de “teleonomía”, es decir, el comportamiento de tener un objetivo aparente.

En los organismos vivos existen múltiples capas regulatorias, y hoy en día se hacen modelos para comprender cada capa de regulación. Un modelo es una representación parcial de la realidad, el cual busca abstraer los aspectos relevantes al problema y hacer predicciones al respecto. Existen muchos tipos de modelos; pero en esta ocasión no profundizaremos en ese aspecto.

Las aproximaciones que se han hecho para ver a algunos sistemas biológicos como un todo han sido limitadas. En parte esto se debe al tipo, cantidad y calidad de la información disponible, así como al campo del que provengan los investigadores que lleven a cabo tales estudios. Entre las aproximaciones encontramos el estudio del metabolismo celular, de la regulación a nivel transcripcional, de interacciones entre proteínas y de cascadas de señalización. Sin embargo, pocos han sido los casos exitosos de integración.

 

En México…

En México existen algunos grupos de investigación dedicados a la biología de sistemas desde perspectivas muy variadas. A continuación se encuentra una breve descripción del trabajo de algunos de ellos:

 

Alexander de Luna (Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad, IPN) estudia fenotipos complejos en levadura, tales como el envejecimiento, a partir de la interacción entre los genes tomando en cuenta al ambiente.

 

Elena Álvarez Buylla (Instituto de Ecología, UNAM) trabaja en el desarrollo en meristemos apicales de plantas, es decir, los nichos de células troncales. Ella busca integrar más allá de los genes. Por ejemplo, tomar en cuenta información posicional, epigenética, hormonas, interacción con bacterias, etc.

 

Julio Freyre González (Centro de Ciencias Genómicas, UNAM) busca comprender la estructura de las redes moleculares de diversas bacterias y conocer los principios de dicha organización. Ha analizado redes de regulación transcripcional y desarrolló una metodología matemática para descomponerlas de forma natural y de esta manera examinar su organización y componentes.

 

Mariana Benítez (Laboratorio de Ciencias de la Sostenibilidad, UNAM) estudia las interacciones entre los organismos que se encuentran en las milpas. Anteriormente trabajó con la Dra. Elena Álvarez Buylla en formación de patrones durante el desarrollo de plantas.

 

Osbaldo Resendis (Instituto Nacional de Medicina Genómica) estudia el metabolismo en líneas celulares de cáncer. Anteriormente, participó en la reconstrucción de la red metabólica de Rhizobium etli, una bacteria que al establecer una relación simbiótica con ciertas leguminosas como el frijol recibe refugio y alimento a cambio de proporcionarle nitrógeno a la planta.

 

 

Retos y perspectivas de la biología de sistemas a nivel mundial

Entre las perspectivas que se tienen dentro de la biología de sistemas en el mundo se encuentra llevar a cabo la integración de varios niveles de regulación. Sin embargo, existen diversos retos, por ejemplo, es difícil tomar en cuenta la organización espacial de los componentes celulares (compartimentalización). Otro problema es que las escalas temporales son distintas, es decir, la regulación a nivel transcripcional es más lenta que la regulación a nivel enzimático por la cantidad de pasos a seguir y el tiempo que tardan en ocurrir. Por otra parte, si bien contamos con bastante información, todavía hay muchas cosas que desconocemos, incluso para el caso de los organismos más estudiados. Cabe destacar que la importancia del azar depende del nivel de detalle; por ejemplo, sería más relevante en el caso en que se estudie la dinámica de proteínas que se traduzcan muy poco y tengan una vida media corta.

Por otra parte, el objetivo de tener modelos de células completas es algo bastante difícil de alcanzar, por una parte debido a las limitaciones mencionadas anteriormente, y por otra debido a que cada pregunta biológica puede ser resuelta tomando en cuenta ciertos aspectos que no serían importantes en un problema distinto. Es importante señalar que un modelo representa la realidad de forma limitada y por ende siempre va a estar incompleto; lo único realmente completo sería la realidad misma.

 

¿Y la biología sintética?

Dado que la biología de sistemas busca comprender por qué los sistemas biológicos funcionan de la forma en que están “diseñados” por la evolución, y cómo tales “diseños” han variado a lo largo del tiempo como consecuencia de los cambios en los ambientes en que viven los organismos; en el futuro, dichos estudios permitirán a la biología sintética emplear técnicas comparativas para determinar cuál es la mejor solución para lograr la modificación deseada en función del ambiente donde se espera que habite el organismo de interés.

Otra aportación de la biología de sistemas a la biología sintética es que nos invita considerar la importancia de las interacciones entre los elementos de los circuitos sintéticos y los componentes nativos del organismo modificado, los cuales, a su vez interaccionan con el ambiente. Además, la información proveniente de los experimentos de biología sintética puede aportar conocimiento a la biología de sistemas al dilucidar las relaciones entre los componentes estudiados. Finalmente, es importante mencionar que siempre es necesario tomar en cuenta el contexto biológico, pues ningún organismo es un sistema aislado.

 

Referencias

  • Freyre-González JA (2013). Notas del curso “Biología de Sistemas”. Licenciatura en Ciencias Genómicas, UNAM.
  • Freyre-González JA (2008). Disección de la arquitectura funcional de la red de regulación transcripcional de Escherichia coli: un enfoque de descomposición natural. Tesis para obtener el grado de Doctor en Ciencias Bioquímicas. Instituto de Biotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México.
  • Noble D (2008). Claude Bernard, the first Systems Biologist, and the future of Physiology. Experimental Physiology 93: 16-26.

Fuente de la imagen: https://synbiomx.files.wordpress.com/2014/07/5ac28-claudebernardmedicinaexperimental.jpg

 

Para leer más

  • Benítez M, Azpeitia E, Alvarez-Buylla ER (2013). Dynamic models of epidermal patterning as an approach to plant eco-evo-devo. Current Opinion in Plant Biology 16:11-18.
  • Freyre-González JA, Manjarrez-Casas AM, Merino E, Martinez-Nuñez M, Perez-Rueda E, Gutiérrez-Ríos RM (2013). Lessons from the modular organization of the transcriptional regulatory network of Bacillus subtilis. BMC Systems Biology 7: 127.
  • Garay E, Campos SE, González de la Cruz J, Gaspar AP, Jinich A, DeLuna A (2014). High-Resolution Profiling of Stationary-Phase Survival Reveals Yeast Longevity Factors and Their Genetic Interactions. PLoS Genet 10 (2): e1004168.
  • Hernández-Hernández V, Rueda D, Caballero L, Alvarez-Buylla ER, Benítez M (2014). Mechanical forces as information: an integrated approach to plant and animal development. Front. Plant Sci. 5: 265.
  • Resendis-Antonio O, González-Torres C, Jaime-Muñoz G, Hernandez-Patiño CE, Salgado-Muñoz CF (2014). Modeling metabolism: A window toward a comprehensive interpretation of networks in cancer. Seminars in Cancer Biology (in press).

 

Enlaces a las líneas de investigación mencionadas

-Alexander de Luna

http://www.langebio.cinvestav.mx/?pag=118

 

-Elena Álvarez Buylla

http://www.ecologia.unam.mx/sie/ACADEMICOS/alvarez/alvarez_contacto.htm

 

-Julio Freyre González

http://www.ccg.unam.mx/files/WebFM/EvolutionaryGenomics/Linea_de_Investigacion/BiolSistRegLineasInvestJF.pdf

http://unam.academia.edu/jfreyre

 

-Mariana Benítez

http://web.ecologia.unam.mx/personal/personal_perfil.php?var1=Dra.&var2=Mariana&var3=Ben%C3%ADtez&var4=Keinrad

 

-Osbaldo Resendis

http://www.inmegen.gob.mx/es/investigacion/investigadores/curriculum-vitae/?perfil=2149

http://unam.academia.edu/OsbaldoResendisAntonio

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