Matemáticas avanzadas para estudiar el cáncer con biología de sistemas

Los seres humanos poseemos alrededor de 22 mil genes, que se encuentran codificados en tres mil millones de pares de moléculas que forman el genoma. Hasta hace algunos años, esta impresionante cantidad de información no había podido ser estudiada con facilidad, para ello fue necesario un revolucionario avance en las tecnología de la computación, que permitió desarrollar modelos matemáticos más complejos y realistas para representar a los organismos vivos.

De esta manera surgió la biología de sistemas, una disciplina que ha permitido procesar y estudiar gran cantidad de información, como la que se encuentra dentro del genoma o la generada por el estudio del metabolismo de los seres vivos, y emplearla para simular situaciones de salud y enfermedad de manera virtual, permitiendo predecir lo que sucedería en un caso real.

Mediante esta disciplina, Osbaldo Resendis Antonio, investigador del Departamento de Genómica Computacional, del Instituto Nacional de Medicina Genómica (Inmegen), estudia las reacciones bioquímicas que caracterizan el cáncer y construye modelos matemáticos que ayuden a identificar cuáles son las vías que proveen de energía y nutrientes a los tumores, información útil para generar posibles tratamientos.

La biología de sistemas

“Como su nombre lo indica, la biología de sistemas es biología, se dedica al estudio de los sistemas biológicos, pero con un enfoque de sistemas. Esto quiere decir que considera que los organismos vivos están compuestos por varios elementos y que la interacción entre estos componentes es compleja”, explica Osbaldo Resendis.

La biología de sistemas considera que los seres vivos tienen distintos niveles de organización, como los genes, las proteínas o los metabolitos, y cuando se integran todas estas piezas se tiene un panorama más completo, que permite entender a un organismo vivo.

Integrar es una palabra clave en biología de sistemas. Si se compara a los organismos vivos con un gran rompecabezas, se podría ver que están conformados por piezas, cada una con funciones e interacciones con otros elementos. Si se lograra descubrir cómo se relacionan estas piezas, cómo se integran para funcionar juntas, se podrían establecer los principios que rigen al sistema vivo y después predecir cómo actuará en diferentes circunstancias, detalla Osbaldo Resendis.

“Predecir es la segunda palabra clave de esta disciplina; con los modelos de la biología de sistemas podemos hacer una deleción en un gen, o cambiar la temperatura o el pH, y analizar cómo el sistema puede organizarse, en todas sus capas, para responder ante la perturbación externa”.

La necesidad de las computadoras

Pero descubrir las interacciones entre todos los componentes de un ser vivo es una tarea compleja, requiere el manejo de millones de datos, lo cual precisa de una considerable capacidad de cómputo.

Este es el otro factor imprescindible en la biología de sistemas: las computadoras, que son las que permiten integrar todas estas piezas biológicas y eventualmente realizar simulaciones y predecir los resultados de cambios en un sistema vivo. A este tipo de trabajo nosotros lo llamamos experimentos in silico, comenta con humor el investigador.

Experimentos in silico con cáncer

La biología de sistemas no solo permite construir representaciones matemáticas de un sistema vivo, además, con la cantidad de información que maneja, le es posible simular estados de enfermedad en los seres vivos.

“Por ejemplo, para el caso del metabolismo humano tenemos cerca de siete mil reacciones bioquímicas simulando las células humanas, toda esta información nos da las capacidades para explorar ciertos problemas de salud, digamos un caso concreto, el cáncer”.

Se sabe que en el cáncer las células afectadas están proliferando de manera acelerada. Entonces, se pueden introducir los datos de las reacciones bioquímicas del metabolismo a la computadora y generar un modelo que pueda hacer predicciones de cuáles son las vías metabólicas que se requieren para esa proliferación acelerada de las células, qué cosas son diferentes y qué cosas son similares en el metabolismo normal y el del cáncer.

De la computadora a las células vivas

Dr Osbaldo Resendis.

Una vez que el modelo matemático predice, la siguiente fase es asociar los datos que arroja la computadora con datos experimentales del genoma, del proteoma y del metaboloma de las células.

Una vez que se ha realizado este diálogo volvemos a los sistemas computacionales a enriquecer los modelos para realizar mejores predicciones, indica el investigador.

“Es una fusión entre la parte de cómputo y la experimental. En términos de cómputo, estamos hablando que se requiere de poderosas computadoras para simular siete mil reacciones bioquímicas, pero actualmente existen las computadoras que lo pueden hacer. También es una fusión en cuanto a disciplinas científicas, donde la física, las ciencias genómicas, la medicina, entre otras, conjuntan conocimientos”.

El trabajo en el Inmegen

Una de las aplicaciones en las que el grupo de investigación de Osbaldo Resendis está trabajando es analizar, mediante la biología de sistemas, qué metabolitos deben dejar de producirse para detener el cáncer, o qué rutas metabólicas deben apagarse para detener la producción de energía de la que se alimenta un cáncer.

Esto da una nueva ventana para abordar el problema del cáncer, permite trabajar desde el punto de vista del metabolismo, que en el cáncer se encuentra alterado, y buscar drogas orientadas a cerrar estas vías que proporcionan energía y nutrientes al cáncer, concluye el investigador.