MicroArray (biochips)

La tecnología microarray permite el análisis comparativo y simultáneo de cómo se expresan cientos de genes en un sólo experimento.Como siempre describir un nombre tecnológico tiene sus dificultades. No se trata de una CPU, esta tecnología no permitirá jugar al Tetris por que no se trata de microporcesador.

¿Qué es entonces un biochip?, Pues una matriz donde existen miles de sondas de material genético las cuales tienen una secuencia conocida

¿Qué hacen estas sondas?, Al poner una muestra en estas matrices (quizá sería más acertado llamarlas micromatrices), aquellas cadenas que tienen una secuencia complementaria a las del biochip se hibridan. Esto permite mediante diversas técnicas el tratamiento computerizado de los datos y así determinar, por ejemplo, si un paciente tiene una mutación génica dada

La concepción moderna de expresión génica data de 1961, cuando el mRNA fue descubierto y se estableció la teoría de la regulación genética de la síntesis de proteínas. Así se pudo describir entre otras cosas la ubicuidad del producto de genes que son necesarios para la integridad celular (llamados HouseKeeping) y la existencia de genes que sólo se expresan en determinadas células. Como dato orientativo si escribes en PubMed “”gene expression”” obtendrás del orden de 262.342 resultados, pero si acotas la búsqueda hasta 1970 sólo encontrarás 60 referencias científicas que utilizan este término

Se necesitaban técnicas que permitieran el análisis simultáneo de la expresión de un gran número de genes, estableciéndose métodos de estudios en serie (análisis directo de un gran número de cDNA’s) y en paralelo (hibridación con cDNA’s que estaban fijados en distintos sustratos). La necesidad de conseguir un estudio simultáneo de la expresión de cientos de genes con un bajo coste económico llevó a la creación de técnicas de detección que permitiera disponer de una gran densidad de sondas colocadas en un área muy pequeña, por ejemplo 10.000 cDNA’s en una superficie de unos pocos centímetros

Generalidades

Como consecuencia del avance de estas técnicas se ha generado un importante volumen de datos que han de ser analizados e interpretados y que, posteriormente, pueden ser reunidos en una base de datos accesible desde el WWW que permita la interpretación de los resultados obtenidos en los experimentos. Como siempre, también existen bases de datos privadas que tienen una clara orientación comercial

Poder estudiar cómo se expresan cientos de genes en un solo ensayo permite realizar comparaciones entre tejidos, estadios del desarrollo, patológicos o las diferentes respuestas que a lo largo del tiempo produce el ambiente en el que se encuentra una célula. Como consecuencia de ello, se genera un abundante número de datos que ha de ser valorado y que precisa de la información que existe en grandes bases de datos genómicas, por ejemplo, la información relativa a genes cuya función es conocida. Por otro lado se necesita un sistema para almacenar los datos (y salvaguardarlos) y potentes herramientas de análisis estadístico y tratamiento de imágenes. En definitiva, el conocimiento acumulado en los últimos años es necesario para entender el significado biológico de la información que se obtiene de los patrones de hibidración

¿Cómo funciona?

La tecnología MicroArray (biochip) es una de las diferentes aproximaciones al análisis comparativo de patrones de expresión de mRNA’s cuyo fin sería colocar en una micromatriz cada uno de los genes de un genoma cuyos niveles de expresión pueden ser cuantificados. Para ello se sintetiza el material genético y se insertan de forma automática en una capa de cristal, silicio o plástico, colocándose en unas casillas que actúan a modo de tubo de ensallo. Después se hibrida y se elimina todas las cadenas que no se han unido mediante lavados (sólo las moléculas que hibridan permaneceran en el biochip), y se procede al revelado mediante un escáner óptico o con microscopía láser confocal. Después el trabajo lo realiza la informática analizando la imágen obtenida para obtener un patrón de intensidades en cada casilla.

En la fabricación de los primeros biochips se empleó la tecnología utilizada en la producción de microprocesadores: fotolitografía

¿Cómo se fabrican?
Primero se hace la distinción entre micro y macromatrices: Estos términos hacen referencia al tamaño de las celdas o puntos donde se deposita el material genético, en pocas palabras, el nivel de miniaturización en una misma superficie
Segundo, se diferencian dos formas de depositar el material genético en la superficie, por un lado sintetizando el material y luego colocándolo en la superficie, por otro la síntesis “”in situ”” y unión química sobre la superficie

Algunas técnicas de producción son:
1. Fotolitografía
2. Robots Piezoeléctricos
Hay más, por ejemplo, haces de fibra óptica cuyos extremos se emplean como micropocillo para la hibridación

Con el avance de la técnica de inmovilización de muestras, se han desarrollado diversos tipos de biochips: cadenas de oligonucleótidos, cDNA, proteínas y tejidos. También existen productos comerciales o pueden ser fabricados por el propio investigador (ver en monográfico sobre MicroArray)

Dentro de todo el proceso, la fase más importante es el revelado, pues es cuando conocemos los puntos de la matriz en la que ha habido hibridación. Suelen emplearse marcadores flourescentes, que son estimulados por una cierta longitud de onda liberándo fotones en una longitud de onda distinta. Ésta es detectada por un dispositivo que captura la imagen en forma de puntos de diferente intensidad. Si se emplean varios marcadores se obtienen sucesivas imágenes de la muestra a diferentes longitudes de onda y después se establece un ratio de intensidades. Con esta información se incia el análisis de los datos con software especializado del que encontrarás información en el monográfico sobre MicroArrays del distrito

Las aplicaciones de esta tecnología están en el área biomédica, farmacéutica y clínica.

Actualmente, la aplicación más frecuente de los biochips es en el análisis genético, pero en un futuro próximo sus aplicaciones serán mucho más amplias.

A destacar el frecuente error en comparar o asimilar los conceptos de biochips con los microprocesadores.

Si quieres tener una información expuesta por expertos, en castellano y meritoria desde un punto de vista informativo por la forma en cómo se ha explicado y organizado la informació, visita la página del área de bioinformática y salud pública del Instituto de Salud Carlos III : BIOTIC http://infobiochip.isciii.es/.

Bibliografía:
– Cho, R.J., et al., Parallel analysis of genetic selections using whole genome oligonucleotide arrays. Proc Natl Acad Sci U S A,. 95(7): p. 3752-7 (1998).
Lemieux B, Aharoni A, Schena M: Overview of DNA chip technology. Molecular Breeding 4: 277-289 (1998)
– Sherlock G: Analysis of large-scale gene expression data. Current Opinion in Immunology 12: 201-205 (2000).
– Schena M, Shalon D, Davis RW, Brown PO. Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray. Science 270, 467-470 (1995).
– Schena M. Genome analysis with gene expression microarrays(Review). Bioessays. 18(5):427-431 (1996).
– Richmond T and Somerville S: Chasing the dream: plant EST microarrays. Current Opinion in Plant Biology 3: 108-116 (2000).

… y muchos más

Lecturas:
– Microarray Biochip Technology, by Mark Schena Eaton Pub Co; ISBN: 1881299376, (January 2000)

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