Juan Lauro Aguirre Villafaña
¿Qué es la Biología de Sistemas?
La Biología Molecular, la Bioquímica y la Biofísica, han sido sumamente útiles para dilucidar los componentes individuales de la maquinaria molecular de la vida. Estamos ahora empezando a dilucidar de los principios que gobiernan las intrincadas interacciones entre esos componentes dentro de las redes bioquímicas, dentro de las cuales se procesa la información biológica dando lugar al complejo comportamiento de las células. La Biología de Sistemas pretende integrar los enfoques experimental y del modelamiento matemático dentro del estudio de la estructura básica y las propiedades dinámicas de esas redes.
Algunas de las preguntas fundamentales que pretende contestar son:
1.- ¿De qué manera el diseño de las redes hace que la función biológica sea robusta y resista las fluctuaciones intrínsecas y ambientales?
2.- Y sin embargo, ¿cómo puede dicha función biológica, también adaptarse con facilidad a nuevas demandas en una escala de tiempo que le permitan evolucionar?
3.- ¿Se podrán identificar módulos dentro de una de esas redes que reaparezcan como unidades funcionales dentro de varias otras redes?
4.- ¿Existen diferentes tipos de arquitectura de redes preferidas para diferentes restricciones selectivas?
El contexto de la red también proporciona nuevas ideas sobre las demandas funcionales de los componentes individuales, los cuales a menudo son utilizados por la naturaleza de manera combinatoria. El entendimiento de esas demandas funcionales no solamente es crucial para la ciencia básica, sino que también ayudaría a identificar maneras útiles de modificar los sistemas biológicos para aplicaciones médicas.
Retos y perspectivas de la Biología de Sistemas
Los diferentes enfoques de la Biología de Sistemas pretenden integrar:
1.- Los diferentes niveles de estructura y de escala de tiempo, yendo de la base hacia arriba, desde los componentes, bloques de construcción (o patrones) y módulos funcionales (biológicamente) hasta la organización del sistema a gran escala (por ejemplo, la célula).
2.- Las diferentes fases de los procesos, uniendo las visiones provenientes de las muchas “ómicas” que han surgido de los avances tecnológicos (equipos que generan enormes cantidades de datos) – de particular importancia la genómica, proteómica y metabolómica.
La integración en relación a esos dos factores permitirá al enfoque de sistemas que analice en forma efectiva la estructura jerárquica y la dinámica espacio-temporal de la red de interacciones subyacente: en este sentido, la Biología de Sistemas es también la Biología de Redes.
Este enfoque y la complejidad inherente de los sistemas biológicos requieren además otras dos clases de integración a nivel de la organización de la investigación:
3.- Un enlace muy fuerte entre los procesos experimentales y de modelamiento matemático, involucrando fases guiadas por los datos obtenidos y por las hipótesis que se desean verificar.
4.- Una colaboración multidisciplinaria que proporcione visiones provenientes de las ciencias naturales, de las matemáticas, de las ciencias de la computación, de la ingeniería y de la medicina.
Estos cuatro aspectos integradores muestran por qué a la Biología de Sistemas también se le ha denominado biología integradora. Además, la confrontación de un fenómeno biológico con el enfoque de la Biología de Sistemas contiene de manera esencial tanto características cuantitativas como predictivas, por lo cual también se han utilizado los términos Biología Cuantitativa y Biología Predictiva en lugar de Biología de Sistemas.
Algunos de los retos que actualmente confronta la Biología de Sistemas son:
1.- La invención de nuevos métodos experimentales (por ejemplo, basados en la microfluídica, la nanotecnología y la femtoquímica, o sea el estudio de las reacciones químicas en una escala de tiempo de .000000000000001 seg) para proporcionar datos de alta calidad y cobertura para el modelamiento y la simulación matemáticos.
2.- El desarrollo de enfoques computacionales y de modelamiento matemático para investigar sistemas complejos grandes, con componentes muy diversificados y comprendiendo múltiples escalas espaciales y temporales.
3.- El establecimiento de formas de colaboración orientadas a la ingeniería de sistemas, entre los experimentalistas, entre los expertos en modelamiento matemáticos y entre ambos grupos, un aspecto importante que debe establecerse es el de los estándares y las plataformas para los datos que se obtienen y para las herramientas de software que se utilizan.
4.- La formación de científicos multidisciplinarios con el balance correcto de competencias y conocimientos para la experimentación y para el modelamiento matemático.
La Biología de Sistemas posee el potencial necesario para revolucionar todo el proceso de descubrimiento y desarrollo de medicamentos, dado que es el puente entre el nivel molecular y el nivel fisiológico. Los laboratorios industriales de investigación planean utilizar la Biología de Sistemas para, entre otras cosas:
– Desarrollar biomarcadores de eficacia y de toxicología para realizar desarrollos pre-clínicos más eficientes.
– Encontrar métodos para acelerar la investigación con muchos nuevos medicamentos juntos.
– Elucidar mejor los efectos colaterales de los nuevos medicamentos.
– Encontrar indicaciones alternativas para los medicamentos que ya se encuentran en el mercado.
La Biología de Sistemas también afectará muchas áreas de la práctica y de la investigación médica, así lo indica el establecimiento del nuevo departamento de Biología de Sistemas dentro de la Escuela de Medicina de Harvard.
