Tesis
Análisis de redes complejas en sistemas biomoleculares
Complex network analysis in biomolecular systems
Autor
Berenstein, Ariel José
Institución
Resumen
Dentro de una célula coexisten diferentes tipos de biomoléculas que participan en intrincadas redes de interacciones físicas y bioquímicas. Las mismas facilitan la supervivencia de la célula y hacen de ella un sistema extremadamente complejo. La descripción de estas interacciones bajo la perspectiva de redes complejas ofrece la posibilidad de estudiar propiedades colectivas emergentes, detectar patrones de organización y proveer una visión global de la célula como sistema. Estas redes presentan estructura modular no trivial. Numerosos trabajos han puesto esfuerzos en correlacionar esta estructura modular con grupos de biomoléculas que llevan a cabo funciones biológicas específicas. No obstante, un problema de ese enfoque es el hecho de que la estructura modular observada en una red depende de la escala adoptada así como de los algoritmos de agrupamiento utilizados. Esta tesis hace especial énfasis en comprender cómo distintos algoritmos de agrupamiento y sus niveles de resolución implícitos pueden afectar a los análisis biológicos subsecuentes. Se consideró una red de interacción de proteínas, y distintos conjuntos de proteínas involucradas en procesos de envejecimiento celular y vías de se˜nalización. Se emplearon dos algoritmos de agrupamiento ampliamente reconocidos, uno basado en teoría de información y otro en optimización de la modularidad de la red. Mientras que el primer tipo es capaz de detectar estructuras topológicas libres de escala característica, el segundo tiene límite de resolución bien definido. Los resultados obtenidos sugieren que si bien ambos algoritmos obtienen particiones de similar modularidad, las mismas difieren significativamente en el nivel de congruencia biológica, el grado de granularidad de las descripciones modulares y en la capacidad para detectar asociaciones estadísticamente significativas entre los conjuntos de proteínas considerados y los respectivos roles cartográficos de la red. Por otro lado se abordó el problema de reposicionamiento de fármacos en el contexto de enfermedades tropicales desatendidas. Para ello, se construyó y caracterizó una red multicapa compuesta por fármacos, proteínas de múltiples especies y diversos tipos de relaciones estructurales, químicas, metabólicas y de bioactividad. Empleando técnicas de priorización en redes complejas se abordaron dos problemas biológicos de interés. Por un lado la priorización de potenciales blancos de droga en un organismo patógeno de interés. Por otro lado la búsqueda de blancos de drogas con actividad probada sobre un organismo, pero cuyos mecanismos y blancos de acción permanecen desconocidos. Los resultados fueron validados computacionalmente y discutidos desde un punto de vista biológico en base a bibliografía reciente. En suma los resultados indican que el enfoque adoptado resulta de gran utilidad para guiar experimentos que busquen entender los mecanismos de acción de drogas que aún permanecen desconocidos.