¿Qué hace un bioinformático estructural?

Sin duda, la profesión de bioinformático estructural es una de las más prometedoras y con mayor impacto en la sociedad. Sin embargo, sigue siendo casi una completa desconocida.

En este artículo exploraremos sus funciones más importantes, así como las posibles áreas de especialización de esta fascinante profesión.

¿Qué es una estructura en bioinformática?

En el ámbito de la bioinformática, el término «estructura» se refiere a la disposición espacial de las moléculas biológicas, principalmente proteínas y ácidos nucleicos.

La forma o estructura de la molécula determina en gran medida su función biológica, sus interacciones con otras moléculas y su papel en los procesos celulares del cuerpo humano o de otros organismos.

Para entender mejor estas estructuras, los científicos las describen en diferentes niveles:

• Nivel primario: es como el «texto plano» de la molécula. En una proteína, por ejemplo, sería la secuencia de aminoácidos, como las letras que forman una palabra.
• Nivel secundario: aquí, partes de la molécula empiezan a doblarse formando patrones simples. En las proteínas, sería como si algunas partes de la «palabra» se enrollaran en espirales o se aplanaran.
• Nivel terciario: este nivel muestra cómo toda la molécula se pliega en una forma tridimensional única. Es como si nuestra «palabra» se convirtiera en una figura 3D compleja.
• Nivel cuaternario: este nivel solo existe en algunas moléculas grandes. Se produce cuando varias moléculas más pequeñas se unen para formar una estructura más grande y compleja, como las piezas de un rompecabezas 3D.

Mediante estos niveles, los bioinformáticos analizan cómo la forma de una molécula afecta a su función en el organismo.

Por ejemplo, la forma específica de la hemoglobina le permite transportar oxígeno eficientemente por todo el cuerpo, de modo que si hay cambios en su estructura podrían aparecer enfermedades (como la anemia falciforme).

En qué consiste el análisis estructural en bioinformática

El análisis de estructuras en bioinformática implica una serie de procesos y técnicas computacionales destinados a examinar, predecir y comparar las configuraciones estructurales de las biomoléculas:

Predicción de estructuras

Se aplica cuando los científicos descubren una nueva proteína que podría estar relacionada con una enfermedad, conocen su secuencia de aminoácidos, pero no saben cómo se pliega en 3D.

Utilizando algoritmos y modelos computacionales propios de la predicción de estructuras, los bioinformáticos de estructuras pueden crear un modelo 3D de cómo podría verse esta proteína.

Así, entienden cómo podría funcionar o interactuar con otras moléculas y diseñar un fármaco adaptado.

Comparación estructural

Implica el alineamiento y la superposición de estructuras para identificar similitudes y diferencias entre moléculas.

Se utiliza, por ejemplo, para conocer si una proteína humana podría estar presente en un organismo animal.

La forma de hacerlo es superponiendo la estructura de la proteína humana con proteínas similares de otros organismos, como ratones o peces, para ver qué partes se mantienen iguales y cuáles han cambiado a lo largo de la evolución.

Docking molecular

Simula las interacciones entre moléculas, como proteínas y ligandos, para predecir complejos moleculares.

En el desarrollo de nuevos medicamentos, los científicos usan el docking molecular para simular cómo un fármaco potencial podría «encajar» en una proteína objetivo.

Durante el proceso prueban diferentes formas de medicamentos para ver cuál se ajusta mejor al «hueco» de la proteína y podría, por tanto, ser más efectivo.

Dinámica molecular

Simula el movimiento y las fluctuaciones de las moléculas a lo largo del tiempo.

Los bioinformáticos especializados usan esta técnica para ver cómo se mueve y cambia de forma una proteína a lo largo del tiempo.

Así, pueden predecir cómo funciona esa proteína en el cuerpo de un organismo.

Análisis de dominios y motivos

Identifica regiones estructurales conservadas que pueden tener importancia funcional.

Para entenderlo, el proceso es como identificar qué partes (motor, ruedas, etc.) tiene cada coche y cómo están organizadas.

Esto ayuda a los científicos a entender qué «piezas» de una proteína son importantes para su función y cómo podrían estar relacionadas con otras proteínas.

Evaluación de la calidad estructural

Cuando los científicos crean un modelo 3D de una proteína, necesitan asegurarse de que es preciso.

La evaluación de la calidad estructural utiliza diversas herramientas que señalan las áreas que parecen correctas y aquellas que podrían necesitar refinamiento.

Los bioinformáticos suelen usar una combinación de estos métodos para obtener una evaluación integral de la calidad del modelo estructural.

El trabajo del bioinformático estructural

El bioinformático especializado en estructuras centra su trabajo, pues, en la interpretación y análisis de datos estructurales de biomoléculas.

Su objetivo es descifrar la relación entre la secuencia, la estructura y la función de las proteínas y los ácidos nucleicos mediante herramientas computacionales y conocimientos de biología molecular.

Pero veamos más en detalle las tareas más importantes de un bioinformático especialista en estructuras:

Principales tareas del bioinformático estructural

Aunque el día a día de un bioinformático estructural puede variar según el proyecto y/o centro de trabajo, hay algunos procesos comunes en la profesión:

• Desarrollo y aplicación de algoritmos para la predicción y análisis de estructuras.
• Modelado por homología y diseño de proteínas.
• Análisis de interacciones proteína-proteína y proteína-ligando.
• Simulaciones de dinámica molecular.
• Interpretación de datos experimentales de cristalografía de rayos X y resonancia magnética nuclear.
• Desarrollo y mantenimiento de bases de datos estructurales.
• Colaboración en equipos multidisciplinares con biólogos experimentales y químicos computacionales.

Este trabajo puede realizarse en multitud de empresas y proyectos, tanto públicos como privados.

Sobre todo, es una profesión con presencia en centros de investigación académica, compañías farmacéuticas y biotecnológicas, empresas de desarrollo de software bioinformático e instituciones de salud pública y centros de investigación biomédica.

Áreas de especialización del bioinformático estructural

Los descubrimientos de la bioinformática estructural tienen aplicaciones en diversos campos, por lo que la especialización profesional es bastante común.

En concreto, suele darse en las siguientes áreas:

• Predicción de estructuras de proteínas: centrada en predecir la forma tridimensional de las proteínas a partir de su secuencia de aminoácidos. Es fundamental para el desarrollo de terapias personalizadas y el diseño de vacunas más eficaces.
• Diseño de fármacos asistido por computadora: optimiza nuevos compuestos con potencial terapéutico y acelera el proceso de descubrimiento de medicamentos.
• Ingeniería de proteínas y diseño de enzimas: modifica proteínas existentes o crea nuevas con funciones específicas. Tiene aplicaciones en la industria biotecnológica, de alimentos y de productos químicos. Cada vez más importante en el desarrollo de terapias de reemplazo enzimático para enfermedades genéticas.
• Análisis de complejos macromoleculares: estudia cómo las grandes moléculas biológicas interactúan entre sí para formar estructuras complejas. Como en la bioinformática genómica, pone el foco en la replicación del ADN o la síntesis de proteínas para tratar enfermedades como el cáncer o infecciones virales.
• Biología estructural computacional: analiza la dinámica de las biomoléculas para descifrar los mecanismos moleculares de enfermedades. Tiene un gran potencial en medicina regenerativa y biotecnología ambiental.
• Genómica estructural: determina la estructura tridimensional de todos los productos génicos de un organismo. Ayuda a entender las bases genéticas de enfermedades complejas y, en agricultura, contribuye al desarrollo de cultivos mejorados.

Así, los profesionales de la bioinformática estructural suelen trabajar en la intersección entre la biología, la química, la física y la informática, contribuyendo al avance de la medicina personalizada, al descubrimiento de fármacos, la biotecnología y la agricultura sostenible.

Formarse en Bioinformática estructural

Para ejercer de bioinformático experto en estructuras, es necesario formarse en bioinformática e, idealmente, en bioestadística.

Mientras la bioinformática proporciona las herramientas y métodos para analizar y modelar estructuras moleculares, la bioestadística ofrece el marco para evaluar la significancia y fiabilidad de los resultados obtenidos.

En este sentido, el Máster en Bioestadística y Bioinformática ofrecido por CEMP proporciona una formación integral en estas disciplinas complementarias, con módulos donde se aborda el análisis de estructuras desde varios frentes:

• Bioquímica y biología molecular
• Bioestadística y R
• Phyton
• Análisis de datos ómicos

Es un máster ideal para quienes buscan desarrollar una carrera en investigación biomédica, la industria biotecnológica o entornos hospitalarios.

En definitiva, si quieres trabajar como bioinformático estructural, contar con una formación especializada es clave para poder acceder a los mejores empleos.