Matemáticas para visualizar y descifrar proteínas

2014

Saber qué proteínas están involucradas en el surgimiento o avance de una enfermedad, cuáles sirven para detenerla o qué sustancias logran tratarla, es un conocimiento útil en biología, bioquímica o medicina. Por tanto, conocer la forma tridimensional de estas estructuras biológicas es un paso importante para identificarlas y entender los distintos procesos de la vida, señaló el doctor Édgar Garduño Ángeles del Instituto de Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y en Sistemas de la UNAM.

Las proteínas son parte de los distintos procesos que experimenta un organismo. Logran sus funciones básicamente por la forma que tienen. Sin embargo, analizarlas no es fácil; el problema se presenta al tratar de identificarlas, ya que son tan pequeñas que se necesitan instrumentos para conocer su estructura. 

Uno de ellos es el microscopio electrónico de transmisión, el cual en lugar de utilizar luz para visualizar los objetos, usa electrones capaces de revelar una imagen aumentada de la muestra; es decir, su longitud de onda es suficientemente pequeña para ver proteínas.

El grupo de trabajo del doctor Garduño Ángeles se dedica a generar nuevos algoritmos para mejorar la calidad de las imágenes que se obtienen con microscopia electrónica; sin embargo, una limitante de este instrumento es que las imágenes obtenidas son bidimensionales. 

Por ello, el investigador trabaja en el procesamiento de imágenes de especímenes biológicos para lograr su estructura tridimensional, con el fin de identificar las distintas proteínas.

Tomografía de proteínas

Una característica importante de las proteínas es que tienen cierta movilidad, cambian de posición y presentan estructuras diferentes, por ejemplo, las del cabello son flexibles y las que forman huesos o dientes son más rígidas. Clasificarlas no es trabajo fácil, ya que no se cuenta con un punto de referencia en microscopía electrónica para saber cuál es su estructura y se requieren distintos métodos matemáticos para lograr una clasificación de ellas.

Por este motivo es básico conocer la estructura tridimensional de una proteína, para entender su comportamiento y clasificarlas. El doctor Garduño comenta que cuando se utiliza la microscopia electrónica en especímenes biológicos se tiene el equivalente a una radiografía, por lo que con estas proyecciones bidimensionales que se obtienen y apoyados por teoremas matemáticos, se reconstruyen tridimensionalmente en computadora las proteínas. Así, se obtienen tomografías, pero de proteínas, es decir, se consigue su registro gráfico en 3D.

Una cosa fundamental que ha encontrado el investigador es que las imágenes de objetos biológicos que se obtienen con microscopía electrónica tienen mucho ruido (hasta 10 veces más ruido que imagen), por lo que trabajan en limpiarlas con técnicas de procesamiento de imágenes.

Imagen tridimensional

El proceso que va desde preparar un espécimen hasta obtener su imagen tridimensional conlleva varios pasos. El doctor Garduño aclaró que ellos no participan en todos, por ejemplo, no preparan el espécimen, sino que les llega la muestra ya preparada. Cabe señalar que esta parte del proceso es la más tardada, la cual puede llevarse meses.

Posteriormente, con estas imágenes se aplican algoritmos y se crean nuevos programas para mejorar las técnicas de procesamiento de la imagen, que consisten en quitarle el ruido, clasificar las imágenes, descubrir sus ángulos u orientaciones, obtener el objeto tridimensional y reconocer la proteína. 

En ocasiones, después de que se obtuvo la reconstrucción, la imagen sigue presentando mucho ruido, porque los algoritmos que la reconstruyen no son perfectos e introducen ellos mismos algunos errores, entonces se post-procesa la imagen tridimensional, se clasifica y se visualiza.

El doctor Édgar Garduño señala que con este trabajo se pretende tener un mejor conocimiento de las estructuras biológicas, además su grupo de investigación ha contribuido en trabajos basados en la reconstrucción tridimensional de los objetos y en la clasificación de los mismos. 

Actualmente, el equipo de trabajo del doctor Garduño participa en cuestiones de visualización para observar imágenes en una computadora y poder rotarlas. Cabe destacar que sus trabajos los ha realizado con investigadores de Brasil, Estados Unidos y España.


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