COMPUTACIÓN BIOLÓGICA

Pedro Isasi1

1Departamento de InformáticaUniversidad Carlos III de Madrid

Avda. de la Universidad, 30. 28911 Leganés (Madrid). Spainemail: isasi@ia.uc3m.es

Presentación

TEMARIO

1 INTRODUCCIÓN A LA COMPUTACIÓN BIOLÓGICAAntecedentes históricosLa selección NaturalLa vida

2 ALGORITMOS GENÉTICOS

3 COMPUTACIÓN EVOLUTIVA

4 COMPUTACIÓN CON INSPIRACIÓN BIOLÓGICA

5 BIOLOGÍA Y COMPUTACIÓN

ORIGEN MÍSTICO DE LA VIDA

Fascinación por la vida a lo largo de la historia de la humanidadEl origen y explicación de la vida está en todos los textossagrados y en todas las teoría filosóficas antiguasLos avances científicos a partir del Renacimiento se hanproducido en occidenteEn occidente tenemos una tradición absolutamente CristianaLa visión Cristiana de la vida se fundamenta en dos preceptos:

La vida ha sido creada en un determinado instante con unpropósitoEl propósito de la vida es el ser humano, y el resto de los seresvivos han sido creados para su beneficio y soporte

Todo lo concerniente con la Naturaleza (y por ende la vida) esgobernado por un ser supremo, todopoderoso, sobrenatural ytranscendente

RACIONALISMO

Hasta el S.XVIII nadie había dudado de estos preceptos:La vida se creó tal y como la conocemos en un determinadoinstante, muy al principio de la creaciónHa permanecido inmutable a lo largo de la historiaNo existe la posibilidad de desaparición, creación, o modificaciónde seres vivos

Las investigaciones biológicas llevaron al descubrimiento defósiles, que contradecían los anteriores preceptosEl poder del cristianismo en toda la sociedad hacía muy difícil laaceptación de los registros fósiles

ESCUELAS

Alemania.- Escuela de filósofos de la NaturalezaLas especies son realizaciones materiales del mundo en su viajehacia el predestino final =⇒ LA HUMANIDAD

Francia.- LamarckLas especies descienden unas de otras progresando por laherencia, de padres a hijos, de las características adquiridas en elmedio

Inglaterra.- Erasmus DarwinEvolución orgánica (como Lamarck), en la que los organismosprogresan compitiendo entre sí por el sustento o por las hembras

DARWIN “el viejo”

Pertenecía a la corriente filosófica del “laissez-faire”, junto conAdam Smith (1776-economía) y Jeremy Bentham (1789- filosofíamoral)A estos se unió Robert Malthus:

El progreso humano es imposible debido a la competición entreindividuos:

La alimentación es algo necesario para la existenciaLa pasión entre los sexos es necesaria y permanecerá inalterableLa humanidad forma un todo con el mundo orgánico en su conjunto

TEMARIO

1 INTRODUCCIÓN A LA COMPUTACIÓN BIOLÓGICAAntecedentes históricosLa selección NaturalLa vida

2 ALGORITMOS GENÉTICOS

3 COMPUTACIÓN EVOLUTIVA

4 COMPUTACIÓN CON INSPIRACIÓN BIOLÓGICA

5 BIOLOGÍA Y COMPUTACIÓN

LA TEORÍA DE LA SELECCIÓN NATURAL

Charles Darwin (1809-1882). En 1825 se fue a estudiar aEdimburgo pero abandonó y se fue a Cambridge a ordenarseFue recomendado como naturalista en un viaje de exploración porel pacífico surLa expedición partió en el Beagle en diciembre de 1831, ydespués de sudamericana y los archipiélagos del pacífico,regresó en 1836

EL VIAJE DEL BEAGLE

Se dedicó fundamentalmente a la geología, ya que tenía pocosconocimientos de biologíaEscribió Estructura y distribución de los arrecifes de coral (1842)

ESTUDIOS DE BIOLOGÍA

Las observaciones biológicas le hicieron interesarse por laposibilidad de la evolución de las especies orgánicas:

A partir de la estrecha relación entre diferentes especies ensudamericanaLa ligera diferenciación entre especies del continente yarchipiélagosIncluso entre diferentes islas del mismo archipiélago

Aplicó el método geológico de Lyell de la geología a la biología (1)Concluyó que las especies habían evolucionado a lo largo deltiempo. Pero ¿cómo?Pasó 20 años recogiendo información para su teoría

ALFRED RUSELL WALLACE

Al mismo tiempo A.R.Wallace (1823-1913) llegóindependientemente a la misma conclusiónSe dio cuenta de los mismos fenómenos que Darwin, pero en elarchipiélago MalayoDerivó la teoría de la evolución a partir de los estudios deMalthaus de auto-regulación de poblaciones humanas (3)En 1858 Darwin publicó el artículo de Wallace junto con el suyo

CHARLES DARWIN

EN 1859 APARECIÓ SU LIBRO

El origen de las especies mediante la selección natural o laconservación de las razas favorecidas en la lucha por la vida

Presentaba como prueba:La distribución de las especies extinguidas en el tiempo, que habíareunidoLa distribución geográfica de las especies en el espacio, en su viajeen el Beagle, y a partir de otros autores “Alexander Von Humboldt”

DARWIN

Fue el 1o en exponer que la serie evolutiva sigue una estructurade árbol, con formas relacionadas ramificándose a partir depadres comunes, unas terminando en la extinción y otrasgenerando las especies que existen en la actualidadRelacionó el desarrollo embriológico de un individuo con eldesarrollo evolutivo de sus estirpes tal y como se veía en losfósilesEn las islas y otras barreras geográficas se daban especiesdominantes en otros lugares, tiempo atrás (como el canguro);preservados en determinados lugares por su aislamiento (fósilesvivientes)

LA SELECCIÓN NATURAL

Analogía con los criadores de ganado:Las camadas son distintas entre síLos criadores seleccionan los individuos cuyas características másles agradanEsto produce la existente enorme variedad de animales domésticosEn la Naturaleza se sustituye a los criadores por el mecanismo dela Selección NaturalLoas criaturas con variaciones favorables sobrevivirán parareproducirse, las que las tienen desfavorables morirán

Los mecanismos de la S.N. producen nuevas variedades, a lalarga nuevas especies y después géneros y órdenes deorganismosLas especies más prolíficas y ampliamente distribuidas producenmás variedades, que son especies en formación, que sedistinguen cuando desaparecen las formas intermedias

LA SELECCIÓN NATURAL

En la aparición de nuevas especies es importante la aparición debarreras geográficas que separen las variedades y las permitaevolucionar independientementeDarwin especulaba ante los mecanismos de las variacioneshablando de cambios de clima, alimento, causas ambientalesLas variaciones ligeras e infinitamente variables =⇒ la evolucióngradual y continuaLlegó a aceptar la idea Lamarckiana del uso y desuso de losórganos transmitido de generación en generación (4)

LA SELECCIÓN NATURAL

No aceptaba la idea de Lamarck y de su abuelo de que existíauna fuerza interna que dirigía los pasos de la evolución haciaformas superiores y más perfectasSubrayaba el carácter pasivo de la evolución, mediante elmecanismo “externo” de la S.N. y no el “interno” hacia unaperfección definidaEsto lo extrapoló hacia el progreso del hombre:

El origen del hombre, 1871

ACEPTACIÓN

Herber Spencer (1820-1903) extendió la S.N. en la sociedadhumana como medio de progreso de la humanidadConfirmaba la filosofía del laissez-faire del periodo Victoriano:

Libre comercio y competencia como formas sociales de la S.N.No había que inmiscuirse en los mecanismos del progreso humano

Aumentó la popularidad de la teoría en la clase media británica

CRÍTICAS

Un rechazo feroz:Richard Owen (1804-1892) seguidor de la corriente alemana de laevol. mediante una fuerza vital autodiferenciadora:

Se están generando continuamente criaturasunicelulares, ¿cómo pueden evolucionar a partir decriaturas complejas?

Samuel Wilberforce, obispo de Oxford en una reunión de laAsociación Británica para el Avance de la Ciencia (1860) le lanzóduros ataques de los que salió airoso

TEORIAS DERIVADAS DE DARWIN

1 Evolución. El mundo no es constante, ni creado recientemente, nien perpetuo ciclo. Está en continuo cambio y los organismos setransforman a lo largo del tiempo

2 Descendientes comunes. Cada grupo de organismos desciendende un ancestro común. Todos los grupos de organismos,animales, plantas y microorganismos provienen definitivamentede un origen común de la vida en la tierra

3 Multiplicación de las especies. Las especies se multiplicandividiéndose en especies hijas o mediante el establecimiento depoblaciones aisladas geográficamente que evolucionan en nuevasespecies

4 Gradualismo. Los cambios evolutivos tienen lugar mediantecambios graduales de poblaciones y no mediante la producciónrepentina de nuevos individuos que puedan representar un nuevotipo de especie

TEORIAS DERIVADAS DE DARWIN

6 Selección Natural. El cambio evolutivo se produce mediante laabundante producción de variación genética en cada generación.Los pocos individuos que sobreviven contienen una combinación,particularmente bien adaptada, de caracteres heredados que losdistribuyen a futuras generaciones

EL MONO Y LA MÁQUINA DE ESCRIBIR

METHINKS IT IS LIKE A WEASELProbabilidad = 1

2728

Selección paso a pasoSelección acumulativa. Resultado:

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EN MENOS DE 30 PASOS

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TEMARIO

1 INTRODUCCIÓN A LA COMPUTACIÓN BIOLÓGICAAntecedentes históricosLa selección NaturalLa vida

2 ALGORITMOS GENÉTICOS

3 COMPUTACIÓN EVOLUTIVA

4 COMPUTACIÓN CON INSPIRACIÓN BIOLÓGICA

5 BIOLOGÍA Y COMPUTACIÓN

LAS LEYES DE MENDEL

Hizo experimentos con guisantes entre 1857 y 1868. Publico suprimer artículo en 1866Se fijó en dos características, la altura de la planta y la rugosidaddel guisante.Mendel cruzó artificialmente plantas altas con bajas, y siempre seproducían plantas altasDespués cruzó las plantas resultantes y obtuvo unasproporciones de 3 a 1Elaboró una teoría corpuscularia de la herenciaEnvió los resultados a un científico famoso, Nageli, pero pasódesapercivido50 años después se redescubrió su teoría y fue aceptada

EL CÓDIGO GENÉTICO

Watson y Crick descubrieron en 1951 la estructura en doblehélice del ADN:

Adenia-TiminaGuanina-Citosina

Más tarde se descubrió el ARN. Igual excepto Uracilo en vez detimina:Cada tres bases (codones) codifican un aminoácidoHay 20 aminoácidos y 43 = 64 posibles codones. Tres de ellos nocodifican aminoácidos, sino controles (STOP). Más de un codóncodifica un aminoácidoLos aminoácidos más numerosos son codificados por máscodones, y parecidos. Los otros por sólo uno. Esto evita lasmutaciones destructivasLos aminoácidos forman las proteinasLas proteinas son enzimas que gobiernan todos los procesosquímicos

LA SÍNTESIS DE PROTEINAS

El ARN no tiene estructura fija en doble hélice. Puede doblarse demuchas formasLos plieges le dan carácter de enzima, y es además portador decódigo genéticoEl ADN porta el material genético, es copiado “en negativo” por elARN-mensajero, que es liso, no se pliegaEl ARN-mensajero pasa la información al ARN-de transferenciaEl ARN-de transferencia tiene una zona desplegada compuestapor tres bases y tiene adosado un aminoácidoEl ARN-t se “pega” al trozo de ARN-m complementario, cuando elanterior trozo ya ha sido leido, y deposita su aminoácido acontinuación del anteriorEste proceso se realiza en presencia de una enzima llamadaribozima

FENOTIPO-GENOTIPO

¿Qué es un gen?.- La definición no es clara. Todo aquello queproduzca de forma monolítica una característica en un individuoEl fenotipo es el conjunto de todos los genes. Es la secuencia debases enumerada una detrás de otraEl fenotipo es la consecuencia física, psíquica, decomportamiento, o cualquier otra; de un determinado genSe puede determinar el gen del color de ojos, su genotipo es lasecuencia de bases del gen, su fenotipo el color que genera. Porej. el azul

LA REPRODUCCIÓN

Existen dos tipos de reproducción: asexual y sexualLa asexual es cuando un individuo por sí sólo produce copiasidénticas de él mismo. P.ej. Las estrellas de marLa sexual es cuando se necesitan dos individuos para producir undescendiente (o varios), y el resultado es un individuo cuyos genesson una mezcla de los de sus progenitores

La reproducción sexual produce constantemente individuosdiferentes y ayuda a la variedad genéticaSe desconocen las causas de la aparición de la reproducciónsexualComputacionalmente la reproducción sexual es mucho máspotente

DIPLOIDAD

Haploides:Todas las células tienen cromosomas idénticosLos descendientes tienen mitad de genes de un progenitor, mitaddel otro

DiploidesLos cromosomas están pareados, conteniendo informaciónredundanteLas células sexuales se generan mediante meiosis y son“haploides”Los descendientes reciben una copia “completa” de cada uno delos progenitores para formar un embrión diploide

Haplo-diploides. Los insectos sociales

EL ORIGEN DE LA VIDA

Se explica en 8 grandes transiciones principales:1 Moléculas replicantes =⇒ poblaciones de moléculas en

compartimentos. Favorece la cooperación entre replicantes, alestar dentro de una membrana común

2 Replicadores independientes =⇒ cromosomas. Los reolicadoresindependientes se unen formando estructuras, cromosomas, quefacilitan su supervivencia

3 ARN como gen y enzima =⇒ ADN y proteína. Se separa lainformación de los procesos enzimáticos. Nace el códigogenético. División del trabajo, aumento en la complejidad de loproducido

4 Procariota =⇒ eucariota. Aparece un núcleo celular, donde estála información, y orgánulos, mitocondrias, cloroplastos queayudan a la supervivencia de la célula

5 Clones asexuales =⇒ Poblaciones sexuales. Aparece el sexo =⇒???

EL ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LA VIDA

6 Protistas =⇒ animales, plantas y hongos. Aparece ladiferenciación celular, a partir de una única célula madre. Todaslas células tienen todo el material genético. Cada tipo de célulaactiva parte del material genético, dejando el resto sin actuación.Da paso a la aparición de organismos

7 Individuos solitarios =⇒ colonias. Aparición de los organismossociales

8 Sociedades de primates =⇒ sociedades humanas. Aparición dela consciencia y la inteligencia

1 INTRODUCCIÓN A LA COMPUTACIÓN BIOLÓGICAAntecedentes históricosLa selección NaturalLa vida

2 ALGORITMOS GENÉTICOS

3 COMPUTACIÓN EVOLUTIVA

4 COMPUTACIÓN CON INSPIRACIÓN BIOLÓGICA

5 BIOLOGÍA Y COMPUTACIÓN