¿Qué necesitamos saber en las Ciencias de la Vida?

Comprender cómo funciona la vida ha sido un objetivo de la ciencia desde sus inicios. Muchos científicos hacen esto por curiosidad intelectual: el deseo de simplemente comprender y conocer el mundo natural que nos rodea. Otros científicos están motivados por la aplicación del conocimiento a diferentes áreas: aplicaciones de la salud humana, la agricultura y el cuidado del medio ambiente.

La vida se basa en última instancia en la química de las moléculas, pero moldeada por la evolución durante miles de millones de años en hazañas de organización tan asombrosas que la química de estas moléculas puede tener estos pensamientos, transcribirlos y compartirlos con ustedes a través de la química de sus moléculas. Es bastante notable. La necesidad nos exige catalogar estas moléculas y la química, y conceptualizarlas en las partes clave de estos sistemas complejos que llamamos organismos, y así tenemos genomas, ARN, proteínas, orgánulos, células, tejidos, órganos, fisiología y organismos individuales. Estos organismos interactúan para obtener energía, materia, reproducirse y vivir en ecosistemas. Aunque la vida es «solo» química, la organización de esta química se trata en última instancia del control de la información a lo largo del tiempo: un control tal que uno pueda reproducir organismos similares en el futuro y, además, el control en humanos y otras especies seleccionadas de ideas que tenemos. puede transmitirse entre individuos.

Hay una rica veta de filosofía mía aquí: ¿qué es la vida? ¿Cuáles son las características clave de la vida que la distinguen de otros tipos de química? (Sé que mi colega Alvis Brazma está escribiendo un libro excelente sobre esto). Pero quiero centrarme en un hilo diferente: ¿qué necesitamos saber? ¿Qué tan grande es el conocimiento que necesitamos tener para entender la vida?

Catálogos y Mecanismo

Adoptaré un punto de vista simplificador y, sin duda, sólo parcialmente correcto. Hay dos tipos generales de conocimiento en las ciencias de la vida que necesitamos: catálogos y mecanismos. Necesitamos catálogos de cosas; en última instancia, estos son catálogos de átomos en configuraciones específicas (aunque a veces difíciles de definir), pero casi siempre formamos conceptos razonablemente sólidos de nivel superior que son muchas veces más grandes en escala; el concepto de una «célula» es una de esas cosas para catalogar. Las células, colecciones de moléculas biológicas unidas a la membrana, son claramente un objeto útil y robusto en gran parte de la vida: las células inmunitarias, los hepatocitos, los fibroblastos y los queratinocitos son piezas de organización útiles y reconocibles y, en sí mismas, componentes básicos para catálogos posteriores. Sin embargo, los conceptos de vida no son tan claros y ordenados como la tabla periódica de elementos: ¿cómo se relaciona el embrión temprano de Drosophila con su sincecio y gradientes con el concepto de una célula? ¿Es el virus sendai unido a la membrana «una célula» y, si no lo es, cuál es la diferencia con el glóbulo rojo? Deberíamos sentirnos cómodos con el hecho de que en biología no hay bordes ordenados en nuestros conceptos útiles (la biología puede aprovechar cualquier aspecto de la química para su propio fin) y estos bordes desgastados en la conceptualización de la biología son parte de nuestra ciencia, que debe celebrarse no oculto y ciertamente no invalidando los conceptos centrales.

Pero los catálogos por sí solos no están completos; los catálogos por sí solos no nos dicen cómo funciona la vida. Para eso necesitamos mecanismos. Los mecanismos son cómo las cosas interactúan y potencialmente cambian. En última instancia, esto es a través de la química: reordenamientos en la configuración de los átomos que se favorecen termodinámicamente. Pero al igual que con los catálogos, los mecanismos de los que estamos hablando requieren una conceptualización de mayor nivel solo para que podamos manejar la complejidad de la vida. Considere la acción del ribosoma, los tRNA, las tRNA transferasas y los mRNA. Esta sorprendente y elegante colección de moléculas sigue las reglas termodinámicas (principalmente debido a la liberación de fosfato libre que impulsa la termodinámica), lo que significa que los codones en el ARNm producen una proteína específica con una precisión cercana al 99,99 %. es notable En teoría, es una reacción química masiva que se puede describir como química de varios pasos (de hecho, algunas personas nobles han intentado llegar a descripciones químicas razonablemente completas). Pero tenemos que tener un concepto para esto que lo abrevie – “traducción” – y este concepto es lo suficientemente sólido como para codificar la consecuencia lógica de esta reacción química (ARNm traducido a la proteína). Este mecanismo lógico y conceptual se comprende tan bien que se instancia en miles de piezas de código de programación en todo el mundo sin un vínculo explícito con la química subyacente. Al igual que con el concepto de catálogo, el mecanismo tiene extremos deshilachados: las selenocistinas y el cambio de marco de lectura son dos rarezas clave en la traducción, la síntesis no basada en ribosomas es otra rareza clave; pero estas rarezas no invalidan de alguna manera el concepto central. Y el mecanismo puede ser a gran escala: la migración de las células durante el desarrollo, o las acciones de las células y las neuronas para lograr la homeostasis en circulación en un vertebrado, o la interacción entre las bacterias intestinales comensales y las células huésped en la digestión, o el comportamiento social. de grupos de individuos. Todo esto lo coloco en mecanismo.

Habiendo producido esta taxonomía de conocimiento de alto nivel para la biología, ahora podemos enumerar nuestros catálogos necesarios y los mecanismos necesarios para dominar la vida. No pretendo que esta lista esté completa; Afirmo que esta lista es necesaria.

(nota editorial final; este tipo de lista es… ¡arrogancia por intentar escribir! En algunos de estos campos, soy un verdadero experto; en algunos, soy un espectador con interés profesional; en otros, no soy más que un aficionado de sillón. Espero con ansias a los inevitables comentarios que ayudarán a mejorar tanto la lista como la redacción)

Catálogos

Especies. Necesitamos un catálogo de todas las especies vivas

genomas. Necesitamos conocer al menos una instancia del genoma de cada especie en la tierra.

Productos del genoma. Necesitamos conocer, o tener la capacidad de predecir con precisión, todos los productos de cada genoma, incluidas las moléculas de ARN y las moléculas de proteína. El catálogo debe contener todas las posibles modificaciones postranscripcionales (ARN) y postraduccionales (proteínas).

Regulación del genoma. Necesitamos saber, o tener la capacidad de predecir con precisión, todos los puntos en los que otras moléculas (a menudo proteínas o ARN) interactúan con el genoma.

Estructura de proteínas y ARN. Necesitamos conocer, o tener la capacidad de predecir con precisión, toda la configuración atómica de las proteínas y los ARN que tienen configuraciones relativamente estables. Para configuraciones inestables necesitamos una descripción útil de las configuraciones factibles. Estas estructuras deben incluir todas las asambleas y complejos.

Moléculas no codificadas por el genoma. Necesitamos conocer todos los químicos presentes en la célula y sus modos de producción.

Estructuras subcelulares.
Necesitamos tener un catálogo de estructuras subcelulares y formas de entender la distribución de todo tipo de moléculas entre ellas.

Células y tejidos. Para cada especie (idealmente, de manera más realista, cada especie de alto interés) necesitamos conocer cada tipo de célula y al menos una configuración factible de células en tejidos en un organismo vivo (para C. elegans solo hay una configuración, notablemente; para muchas otras especies uno tiene que tener al menos una configuración factible).

organos y anatomia. Para cada especie (idealmente, de manera más realista, cada especie de gran interés) necesitamos saber cómo los tejidos con sus células constituyentes forman órganos y estructuras anatómicas para formar un organismo.

Anatomía neuronal. Las neuronas y la anatomía del cerebro son lo suficientemente diferentes con los axones, las dendritas, las espinas y las conexiones como para merecer su propio conjunto de conceptos (enumerados anteriormente) y su propio catálogo del conjunto y la interacción de estos conceptos.

Ecosistemas idealizados. Para cada ecosistema de especies que interactúan, necesitamos conocer los tipos de especies, su número y posición idealizada de una manera que sea útil para comprender el ecosistema (por ejemplo, la presencia de simbosis o conflicto, de presa/depredación, de ubicación relativa a El uno al otro).

Ecosistema mundial. Para todo el planeta necesitamos un catálogo de ecosistemas y sus ubicaciones, incluidos los ecosistemas creados por humanos, con modelos apropiados de transiciones.

Mecanismos

ADN a ARN. No solo la transcripción (bien descrita), sino cuándo y dónde ocurre la transcripción. Necesitamos tener el mecanismo para cada producto de ARN qué condiciones causan su producción.

ARN a proteína. Traducción. Necesitamos tener el mecanismo para la producción de proteínas a partir de cada producto de ARN.

Proteína y ARN a estructura 3D. El clásico “problema del plegado”. Esto se ve más manejable de lo que ha sido en mucho tiempo.

Transformación de otras moléculas. Todas las transformaciones, y cuando ocurren de las otras moléculas en la célula. Básicamente, el metabolismo.

Estructura y tráfico subcelular. Esto es todo, desde la gestión de orgánulos. a la estructura 3D en el núcleo.

Toma de decisiones celular. ¿Cómo y por qué las células toman decisiones? ¿Qué moléculas tienen que estar presentes y en qué configuraciones para diferentes decisiones?

Desarrollo. ¿Cómo llega cada célula a su destino final y configuración desde el cigoto fertilizado?

Toma de decisiones sobre tejidos. ¿Cómo y por qué las colecciones de células toman decisiones?

Función de órganos, toma de decisiones y homeostasis.. ¿Cómo funciona cada órgano? ¿Cómo se mantiene su función de manera estable o receptiva apropiada?

Comportamiento neuronal. Cómo se comportan las colecciones de neuronas para dar lugar a decisiones. Este es un gran tema, y ​​estoy tentado a dividirlo en circuitos de bajo nivel y propiedades emergentes más grandes.

Comportamiento individual. ¿Cómo se comportan los individuos (desde las bacterias comensales hasta las interacciones con el huésped y las interacciones con-específicas) en interacciones aisladas?

Comportamiento del ecosistema. ¿Cómo se comportan las colecciones de individuos de muchas especies diferentes?

Tanto para los catálogos como para los mecanismos, en última instancia, no seremos capaces de describirlos y solo usaremos nuestro cerebro para recordarlos: necesitaremos publicarlos, compartirlos y, sobre todo, almacenarlos adecuadamente en bases de datos. Para los catálogos, esta es una necesidad obvia: a los humanos no les va bien en esta escala de enumeración y no tiene mucho sentido tratar de conocer todas estas cosas individualmente (aunque algunas de estas cosas son más contables y memorables de lo que uno se da cuenta). conocen una cantidad sorprendentemente grande de genes, por ejemplo).

El concepto de mecanismos de base de datos está en su infancia. Esquemas como BioModels tienen la capacidad de almacenar algunos de estos. Otros se publican y transmiten en una historia casi oral. Algunos de estos se mantienen en estructuras especializadas en bases de datos de organismos modelo (por ejemplo, el desarrollo de C. elegans), pero esto está más en su infancia.

La gran complejidad de la lista anterior y su destino final en las bases de datos (así como las publicaciones para explicar los conceptos en las bases de datos) muestra la tarea para la que debemos estar preparados en los próximos siglos. Empecé a anotar cada uno sobre el nivel de completitud, pero me di cuenta de que en sí mismo era una tarea compleja, y una tarea que a menudo se puede dividir en una matriz de catálogo frente a especies, y mecanismo frente a especies. Solo para enumerar esta tarea, necesito una base de datos! También muestra cuán clave son las bases de datos de ciencias de la vida para este esfuerzo; son el punto final de conocimiento y cómo transmitiremos información entre investigadores y con el tiempo (la narrativa en los artículos aumentará, educará y explicará), pero los datos y el conocimiento se almacenarán, mantendrán y utilizarán desde bases de datos electrónicas, en línea y de acceso abierto. .

Fuente del artículo

Deja un comentario