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Biología de sistemas regulatorios
Redes moleculares complejas controlan la célula a diferentes niveles, desde la transducción de
señales, pasando por la regulación transcripcional y post-transcripcional, hasta el control
metabólico. El carácter modular y jerárquico de estas redes complejas fue bien establecido
durante la primera década del siglo XXI. Sin embargo, estas redes no funcionan aisladas unas de
las otras. Éstas se entrelazan altamente para conformar una red global compleja que es
responsable de tomar decisiones y reaccionar en respuesta a señales ambientales. En este
escenario surgen ciertas cuestiones no bien comprendidas, por ejemplo: 1) Cómo cambian las
propiedades organizacionales de las redes individuales de un cierto nivel celular en una red
integrando dos o más de estas redes complementarias. 2) Qué propiedades emergentes surgen
conforme integramos diferentes redes complejas. 3) Cuales son los principios biológicos y
matemáticos que brindan los fundamentos de cómo emergen estas propiedades arquitectónicas y
organizacionales durante la evolución de redes complejas. 4) Cómo estos principios se relacionan
con las propiedades genómicas. Nuestra investigación está enfocada en estas preguntas.
Nuestro grupo ha propuesto un marco de trabajo biológico-matemático (el enfoque de
descomposición natural) que aprovecha las propiedades estructurales de las redes regulatorias
para brindar criterios objetivos que permiten su descomposición en cuatro clases de
componentes: reguladores globales (hubs), genes estrictamente regulados por globales, módulos,
y genes intermodulares. Este último un nuevo elemento identificado por nosotros como un
componente responsable de integrar las respuestas de diversos módulos para afrontar
satisfactoriamente condiciones complejas. Los genes intermodulares pertenecen a la capa
jerárquica más baja. Estos conforman una jerarquía no piramidal, en forma de diamante, tipo
matrioska dado que su cantidad es menor que el de la capa en la capa jerárquica superior
inmediata. Hemos establecido el alto poder predictivo del enfoque de descomposición natural
para inferir las arquitecturas funcionales de las redes regulatorias de Escherichia coli and Bacillus
subtilis, brindando además el primer criterio matemático (el valor kappa) para identificar
reguladores globales en bacterias.
Todo esto inició una línea de investigación dirigida a evaluar la robustez y universalidad del
enfoque de descomposición natural para develar las arquitecturas funcionales de diversos
organismos a distintos niveles celulares. Avances en esta investigación brindan adicionalmente un
inventario de los sistemas celulares y la jerarquía que los controla, predicciones para genes cuya
función es desconocida, y elementos para conducir estudios comparativos a nivel de sistemas de
los mecanismos evolutivos, diferencias y similitudes funcionales explicando las adaptaciones de
diversos organismos a sus respectivos nichos ecológicos.
El objetivo a largo plazo es develar los principios evolutivos y de sistemas que gobiernan las redes
biológicas complejas y usar este conocimiento para desarrollar nuevas estrategias en biología
sintética. Para lograr nuestros objetivos integramos datos masivos y distintas bases de datos
combinando conocimiento de biología molecular, teoría de grafos, ciencias de la computación,
estadística, matemáticas y física. En el futuro cercano, estamos interesados en complementar
nuestros estudios teóricos con experimentos. Además, nuestro grupo es responsable de los
contenidos e impartición de cursos en ciencias de la computación (“Principios de Programación” y
“Computo Científico”) y biología de sistemas para nuestro programa de Licenciatura en Ciencias
Genómicas.
Líneas de investigación:
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Principios gobernando la biología de sistemas regulatorios en procariontes: Robustez y
generalidad del enfoque de descomposición natural
Plasticidad de redes regulatorias: Identificando factores de transcripción análogos en
bacterias
Comprendiendo la dinámica evolutiva a nivel de sistemas de las redes de regulación
transcripcional: Análisis comparativo de tres procariontes modelo
Reconstrucción y estudio de la arquitectura de un modelo integral de la regulación celular
que incorpora distintas capas de control y sus interfaces