- habla sobre el papel de las matemáticas y las computadoras en la investigación moderna de las ciencias biológicas.
El siglo XX es el siglo de las ciencias físicas y el siglo XXI es el siglo de las ciencias de la vida. El rápido desarrollo de las ciencias de la vida, especialmente la biotecnología, no sólo está estrechamente relacionado con la salud humana, el desarrollo agrícola y el medio ambiente, sino que también promoverá el desarrollo de otras disciplinas. La llamada "ciencia hoy, tecnología mañana, producción pasado mañana". La investigación básica en ciencias de la vida es la fuente de la biotecnología moderna y la clave para la innovación científica y tecnológica.
La biotecnología moderna es una disciplina que lidera la ciencia y la tecnología de vanguardia. Para ello me gustaría saber cómo se relaciona orgánicamente con las matemáticas, mis cursos profesionales, la informática y otras teorías o tecnologías. En base a esto, usé mi tiempo libre para consultar muchos sitios web y libros y aprendí algo. Ahora hablemos de los siguientes puntos relacionados con la tecnología de "chips genéticos".
1. Introducción a los chips genéticos
Los chips genéticos, también llamados chips de ADN, son productos de alta tecnología desarrollados a mediados de los años noventa. Los chips genéticos tienen aproximadamente el tamaño de una uña y sus sustratos suelen ser láminas de vidrio procesadas. La superficie basal de cada chip se puede dividir en decenas de miles a millones de células. En una célula determinada se puede inmovilizar una gran cantidad de moléculas de ácido nucleico (también llamadas sondas moleculares) con funciones específicas y una secuencia de aproximadamente 20 bases de longitud.
Debido a que las sondas moleculares inmovilizadas forman diferentes conjuntos de sondas en el sustrato, utilizando los principios de hibridación molecular y procesamiento paralelo, los chips genéticos se pueden usar para la detección molecular de materiales genéticos y, por lo tanto, se pueden usar en la investigación genética. y medicina forense. Identificación, detección de enfermedades y detección de drogas. La tecnología de chips genéticos tiene características incomparables, como alta eficiencia, rapidez y parámetros múltiples. Es una importante innovación y un gran avance en la biotecnología tradicional, como la detección, la hibridación, la tipificación y la secuenciación de ADN.
En segundo lugar, la tecnología de chips genéticos
La tecnología de biochips nació con el suave avance del Proyecto Genoma Humano a principios de los años 1990. Utiliza tecnologías de miniaturización como la fotolitografía de semiconductores en el proceso de fabricación de circuitos integrados para integrar muchos procesos de análisis discontinuos y discretos en la investigación de ciencias biológicas, como la preparación de muestras, reacciones químicas, detección cualitativa y cuantitativa, etc., en una oblea de silicio del tamaño de una uña. o En el portaobjetos de vidrio, estos procesos de análisis son continuos y miniaturizados. Es decir, tecnología que requiere varios laboratorios y salas de inspección se puede convertir en analizadores bioquímicos portátiles para diferentes propósitos, automatizando completamente el proceso de análisis biológico, aumentando miles de veces la velocidad de análisis y reduciendo miles de muestras y reactivos químicos necesarios. de tiempos. Es previsible que en un futuro próximo los microanalizadores fabricados con él se utilicen ampliamente en biología molecular, investigación médica básica, diagnóstico y tratamiento clínico, desarrollo de nuevos fármacos, identificación forense, supervisión de la higiene alimentaria, guerra con armas biológicas y otros campos.
La tecnología de biochips es una de las tecnologías de análisis de ADN más prometedoras en la actualidad. Los objetos de análisis pueden ser ácidos nucleicos, proteínas, células y tejidos. Actualmente, el uso de biochips para diagnosticar enfermedades a nivel internacional aún se encuentra en etapa de investigación. Se ha utilizado en el extranjero para observar la expresión y mutaciones de algunas enfermedades genéticas como los oncogenes y la atrofia muscular.
La tecnología Biochip también se puede utilizar para el tratamiento. Por ejemplo, se desarrolló un chip de 4 milímetros cuadrados con 400 agujas llenas de medicamentos que pueden inyectar medicamentos a los pacientes a intervalos regulares. Además, los científicos también están considerando la posibilidad de crear microbombas con biochips que liberen regularmente insulina para tratar la diabetes y marcapasos en chips que puedan implantarse en el corazón. La combinación de tecnología de biochips y química combinatoria abrirá otra dirección de aplicación valiosa, que es proporcionar tecnología de plataforma de detección de paso ultra alto para la investigación y el desarrollo de nuevos fármacos, y seguramente logrará importantes avances en la investigación y el desarrollo de nuevos fármacos y en los chinos tradicionales. evaluación de medicamentos.
3. Ejemplos de tecnología de aplicación de chips genéticos
1. Decodificación de genes
Actualmente, el “Proyecto Genoma Humano” en el que participan científicos de muchos países está intentando mapear A lo largo del siglo XXI El primer mapa completo de la disposición cromosómica humana. Como todos sabemos, los cromosomas son los portadores del ADN, los genes son fragmentos que tienen un efecto genético sobre el ADN y la unidad básica del ADN son cuatro bases. Dado que cada persona tiene 3 mil millones de pares de bases, descifrar la secuencia de bases de todo el ADN es sin duda un proyecto enorme. En comparación con la tecnología tradicional de secuenciación de genes, los chips genéticos pueden descifrar el genoma humano y detectar mutaciones genéticas miles de veces más rápido.
La razón principal por la que la detección del chip genético es tan rápida es porque hay miles de microgeles en el chip genético, que se pueden detectar en paralelo, porque los microgeles son tridimensionales; equivalen a proporcionar una plataforma de detección tridimensional que puede inmovilizar proteínas y ADN y analizarlos.
Estados Unidos está estudiando chips genéticos y ha desarrollado un "chip genético" que puede descifrar rápidamente códigos genéticos, haciendo que la velocidad de descifrado de genes humanos sea 1.000 veces más rápida que en la actualidad. La Figura 1 muestra un dispositivo de detección genética con un chip genético integrado.
2. Diagnóstico genético
Utilizando chips genéticos para analizar el genoma humano se pueden encontrar los genes que causan enfermedades. El cáncer y la diabetes son enfermedades causadas por defectos genéticos. Los investigadores médicos y biológicos podrán identificar, en segundos, genes mutados que en última instancia provocan cáncer y más. Con la ayuda de una pequeña gota de solución de prueba, los médicos pueden predecir la eficacia de los medicamentos en los pacientes, diagnosticar reacciones adversas a los medicamentos durante el tratamiento e identificar en el acto con qué bacterias, virus u otros microorganismos está infectado el paciente. El uso de chips genéticos para analizar genes genéticos permitirá que la tasa de diagnóstico de diabetes alcance más del 50% en 10 años.
En el futuro, cuando las personas se sometan a exámenes físicos, robots de diagnóstico equipados con chips genéticos extraerán sangre de los sujetos y los resultados del examen físico podrán mostrarse en la pantalla de la computadora en un instante. Utilizando el diagnóstico genético, la atención médica avanzará de la era de la "atención médica masiva" a la era de la "atención médica personalizada" que varía según los genes individuales.
3. Protección genética del medio ambiente
Los chips genéticos también tienen un gran potencial en la protección del medio ambiente. Los chips genéticos pueden detectar eficazmente la contaminación causada por microorganismos o materia orgánica y también pueden ayudar a los investigadores a descubrir y sintetizar genes de enzimas naturales con funciones digestivas y de desintoxicación. Una vez que se descubra el gen ecológico, los investigadores lo transferirán a bacterias comunes y luego usarán las bacterias genéticamente modificadas para limpiar ríos o suelos contaminados.
4. Computación Genética
Las moléculas de ADN son similares a "discos de computadora" y tienen la función de guardar, copiar y reescribir información. Cuando se estira, la molécula helicoidal de ADN excedería la altura de un ser humano, pero si se pliega, puede encogerse hasta convertirse en una bola con un diámetro de sólo unas pocas micras. Por lo tanto, las moléculas de ADN se consideran memoria molecular de gran capacidad y densidad ultraalta.
Los chips genéticos se han mejorado y también pueden usarse para fabricar computadoras biológicas después de expresar diferentes números en diferentes estados biológicos. En el futuro surgirán empresas de bioinformática basadas en chips genéticos y algoritmos genéticos que podrán competir con el actual gigante del hardware informático Intel Corporation y con el gigante del software Microsoft Corporation.
En cuarto lugar, la aplicación práctica de los chips genéticos
Los chips genéticos tienen un valor de aplicación extremadamente importante en las ciencias biológicas, la investigación médica, la protección del medio ambiente y la agricultura. Impulsada por chips genéticos, la humanidad está entrando en una nueva era de información biológica.
1. En Estados Unidos, por primera vez, los científicos han implantado un chip de computadora al que llaman biochip en células humanas, conectando así células humanas a computadoras. Así lo revelaron el científico estadounidense Boris Lubinsky y su colega Huang Yong en la edición de marzo de la revista "Biomedical Microdevices".
2. Las células humanas están recubiertas por una membrana celular, que tiene la función de permitir el paso de sustancias específicas en una dirección. Durante años, los científicos han estado buscando formas de introducir las sustancias deseadas en las membranas celulares mediante descargas eléctricas, pero hasta ahora los métodos utilizados a veces han tenido éxito y otras han fracasado. Utilizando el nuevo método desarrollado por Lubinski y Huang, la membrana celular recibe una señal de una computadora que permite que algunas sustancias ingresen a la célula. Según los casos, estas sustancias pueden ser, por ejemplo, material genético utilizado para modificar genes, fármacos o proteínas. De esta forma, estas sustancias pueden volverse más efectivas.
Rubinsky y otros científicos planean desarrollar biochips que puedan enviar instrucciones a tejidos corporales como células nerviosas y músculos, lo que al menos hará que los medicamentos que las personas toman sean más efectivos. Moriro Flary, director del Centro de Ingeniería Biomédica de la Universidad Estatal de Ohio, calificó el invento de Rubinski como una potencial herramienta de laboratorio de desarrollo en etapa inicial.
Científicos estadounidenses dicen haber descubierto un chip diseñado por bioingeniería que puede emparejar células humanas con circuitos que podrían desempeñar un papel clave en la medicina y la ingeniería genética.
Este diminuto dispositivo, más delgado que un cabello, combina células humanas sanas con chips electrónicos y está controlado por un ordenador. Los científicos creen que pueden controlar la actividad de las células.
El ordenador envía impulsos eléctricos al chip celular, estimulando la apertura de los poros de la membrana celular y activando las células.
Los científicos esperan producir en masa dichos chips celulares e implantarlos en el cuerpo humano para reemplazar o corregir el tejido enfermo.
Boris Rubinski, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de California, quien dirigió la investigación, dijo: "Los chips celulares también permiten a los científicos controlar con mayor precisión procesos complejos de terapia génica porque pueden abrir los poros de las células con mayor precisión". ", Dijo Rubinski. "Estamos llevando la esencia de la ingeniería a la biología, donde podemos introducir completamente el ADN, extraer proteínas e inyectar medicamentos sin afectar a otras células circundantes".
La aparición de Los chips celulares están relacionados con una antigua teoría de que una cierta cantidad de voltaje puede atravesar la membrana celular.
Durante años, los científicos han estado realizando investigaciones genéticas mediante experimentos que bombardean células con electricidad, con la esperanza de introducir nuevos tratamientos y materiales genéticos. Los investigadores esperan producir eventualmente un chip celular que sea compatible con la cantidad precisa de voltaje necesaria para activar diferentes tejidos del cuerpo, desde los músculos hasta los huesos y el cerebro. En ese caso, se utilizarán miles de chips celulares para tratar diversas enfermedades.
3. El primer chip genético desarrollado de forma independiente en mi país utilizando tecnología original nació oficialmente en la Primera Universidad Médica Militar.
Según el responsable de la Primera Universidad Médica Militar, el chip genético desarrollado con éxito por la Universidad Médica Militar es la primera vez que mi país aplica tecnología innovadora de amplificación de chips genéticos y ha tomado la liderar la superación de las dificultades que enfrentan los colegas del continente en la investigación de chips genéticos, resolver el problema de recolectar de manera rápida y económica decenas de miles de sondas genéticas y utilizar inteligentemente nuevos medios técnicos para reducir significativamente los costos.
Actualmente, el chip ha completado los trabajos de laboratorio y está a punto de entrar en la etapa de verificación clínica. Si el progreso va bien, se espera que pronto se produzcan en masa chips genéticos para el diagnóstico clínico. Pero hasta ahora no existe en el mundo ninguna producción de chips genéticos para el diagnóstico clínico.
En el laboratorio, estos chips genéticos, que son ligeramente más grandes que la punta de un pulgar, se colocan en el detector, e inmediatamente aparecen en la pantalla del ordenador puntos fluorescentes rojos, verdes y verdes entrecruzados. conectado a ellos. Cada punto fluorescente aparece como un entramado de fragmentos de genes. Siempre que se coloque una gota de sangre del paciente en la tarjeta de prueba con chip, después de la hibridación molecular y se conecte a la computadora, los cambios genéticos se pueden mostrar de inmediato. La computadora puede traducir el lenguaje genético en información que el médico pueda entender, de esta manera. realizar un diagnóstico de la enfermedad.
El nacimiento exitoso de este chip marca que el diagnóstico de enfermedades ha pasado del nivel celular y tisular al nivel genético. Su desarrollo y aplicación mostrarán amplias perspectivas en el control de la contaminación ambiental, la cuarentena de animales y plantas, el trasplante de órganos, el diagnóstico prenatal, la detección y el desarrollo de fármacos, etc.
5. Las ciencias biológicas se han convertido gradualmente en el foco de las empresas de TI.
La noticia de que se ha completado el borrador del genoma humano ha abierto la puerta a los tesoros de Alibaba. El mercado de las ciencias biológicas con la tecnología genética como núcleo está atrayendo cada vez a más buscadores de oro. El reciente activismo de las empresas de tecnología de la información (TI) que producen palas para estos buscadores de oro ha atraído considerable atención.
1. Desentrañar el misterio de los genes requiere descifrar una gran cantidad de datos.
El bosquejo del genoma humano sólo se lee en el Libro de la Vida, pero para comprenderlo verdaderamente y revelar la información representada por todos los códigos genéticos, es necesario descifrar cantidades ingentes de datos.
En el famoso Centro Sanger del Reino Unido, los datos sobre el genoma humano han alcanzado los 22 billones de bytes, más del doble del contenido de la Biblioteca del Congreso, líder mundial. El centro estima que la cantidad de datos asociados con el genoma humano aumentará de 50 a 100 billones de bytes en los próximos dos o tres años.
2. Las empresas de ciencias de la vida invierten el 10% en el desarrollo de tecnologías de la información.
Para resolver el problema de la enorme potencia informática necesaria para procesar datos, las 12 mayores empresas de ciencias biológicas del mundo gastan actualmente casi el 10% de sus presupuestos de investigación en tecnología de la información, y es probable que esta proporción aumente.
Según estimaciones de IBM, el mercado de tecnologías de la información relacionadas con las ciencias de la vida alcanzará los 3.500 millones de dólares este año y los 9.000 millones de dólares en 2003.
3. El potencial del mercado es enorme.
Algunas empresas de TI de renombre ya han puesto sus ojos en este enorme mercado potencial. Por ejemplo, IBM ha decidido invertir 654,38 mil millones de dólares en cinco años para desarrollar una supercomputadora llamada "Blue Gene".
La potencia informática de "Blue Gene" será 40 veces mayor que la de los 40 superordenadores más rápidos de Estados Unidos. Se utiliza principalmente para simular el proceso de plegado de proteínas humanas en formas especiales.
Compaq, el mayor fabricante de ordenadores personales del mundo, también codicia este trozo de "grasa".
4. Compaq debería cultivar su futura base de clientes lo antes posible.
Compaq, que se ha convertido en un importante proveedor de servidores informáticos en el campo de las ciencias biológicas, anunció recientemente que seguirá invirtiendo 654.380 millones de dólares para ayudar a las empresas biotecnológicas emergentes a cultivar una futura base de clientes.
De hecho, las empresas de TI están mucho más allá de centrarse únicamente en estos intereses a corto plazo. La gente ha llegado a un consenso en que la bioeconomía basada en la investigación genética puede convertirse en una parte importante de la nueva economía del nuevo siglo.
5. Los creadores de estándares industriales pueden disfrutar de enormes beneficios económicos.
Basándonos en experiencias pasadas, la mayoría de las empresas que son las primeras en entrar al mercado pueden convertirse en quienes establecen los estándares de la industria, lo que a menudo significa enormes beneficios económicos.
En agosto de este año salieron a bolsa las acciones de la alemana Lion Life Sciences. Como los inversores creyeron que el sistema de recuperación de secuencias (SRS) de la empresa podría convertirse en un nuevo estándar de la industria, el precio de sus acciones subió un 50% en un corto período de tiempo.
6. El gobierno apoya la investigación genética.
Las empresas de TI no pueden ingresar al campo de las ciencias de la vida sin el apoyo de los gobiernos de varios países para la investigación genética. Para mantenerse a la cabeza en la competencia internacional por la siguiente etapa de la investigación del genoma: el análisis de las estructuras de las proteínas, muchos países han tomado activamente medidas para promover la integración de la industria de la información y la industria biológica.
Por ejemplo, Japón organizó recientemente la "Comunidad de Investigación de Información sobre Bioindustria", que es un consorcio de gobierno, industria y academia. Además de empresas relacionadas con las ciencias genéticas como la farmacéutica, la alimentación, la biología y la química, también hay muchas empresas informáticas que participan en esta comunidad.
Resumen: La comunidad científica reconoce que la tecnología de biochips supondrá una revolución para las ciencias de la vida y la investigación médica en el próximo siglo. Actualmente, los científicos chinos están acelerando el desarrollo de esta nueva tecnología, que permitirá extraer ADN de forma rápida y sencilla y encontrar características genéticas. ¡Creo que la unión de la biología moderna y la alta tecnología contribuirá enormemente al desarrollo del siglo XXI!