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Nanoinformática

La nanoinformática es la aplicación de la informática a la nanotecnología . Es un campo interdisciplinario que desarrolla métodos y herramientas de software para comprender los ...

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La nanoinformática es la aplicación de la informática a la nanotecnología . Es un campo interdisciplinario que desarrolla métodos y herramientas de software para comprender los nanomateriales, sus propiedades y sus interacciones con entidades biológicas, y para utilizar esa información de forma más eficiente. Se diferencia de la quimioinformática en que los nanomateriales suelen consistir en conjuntos no uniformes de partículas con distribuciones de propiedades físicas que deben especificarse. La infraestructura de la nanoinformática incluye ontologías para nanomateriales, formatos de archivo y repositorios de datos.

La nanoinformática tiene aplicaciones para mejorar los flujos de trabajo en la investigación fundamental, la fabricación y la salud ambiental , permitiendo el uso de métodos de alto rendimiento basados ​​en datos para analizar amplios conjuntos de resultados experimentales. Las aplicaciones en nanomedicina incluyen el análisis de fármacos basados ​​en nanopartículas para determinar las relaciones estructura-actividad de manera similar a la bioinformática .

Fondo

Contexto de la nanoinformática como convergencia de ciencia y práctica en la intersección de la seguridad, la salud, el bienestar y la productividad; la gestión de riesgos; y la nanotecnología emergente.

Mientras que los productos químicos convencionales se especifican por su composición química y concentración , las nanopartículas poseen otras propiedades físicas que deben medirse para una descripción completa, como el tamaño , la forma , las propiedades superficiales , la cristalinidad y el estado de dispersión . Además, las preparaciones de nanopartículas suelen ser no uniformes , presentando distribuciones de estas propiedades que también deben especificarse. Estas propiedades a escala molecular influyen en sus propiedades químicas y físicas macroscópicas, así como en sus efectos biológicos. Son importantes tanto en la caracterización experimental de las nanopartículas como en su representación en un sistema informático. [ 1 ] [ 2 ] El contexto de la nanoinformática radica en que el desarrollo e implementación efectivos de las posibles aplicaciones de la nanotecnología requieren el aprovechamiento de la información en la intersección de la seguridad, la salud, el bienestar y la productividad; la gestión de riesgos ; y la nanotecnología emergente. [ 3 ] [ 4 ]

Representación gráfica de una definición operativa de la nanoinformática como un proceso de ciclo de vida.

Una definición de trabajo de nanoinformática desarrollada a través de la Hoja de ruta Nanoinformática 2020 basada en la comunidad [ 5 ] y posteriormente ampliada [ 3 ] es:

  • Determinar qué información es relevante para cumplir con los objetivos de seguridad, salud, bienestar y productividad de la comunidad científica, de ingeniería y tecnológica a nanoescala;
  • Desarrollar e implementar mecanismos eficaces para recopilar, validar, almacenar, compartir, analizar, modelar y aplicar la información;
  • Confirmar que se tomaron las decisiones adecuadas y que se lograron los resultados de la misión deseados como resultado de esa información; y finalmente
  • Transmitir la experiencia a la comunidad en general, contribuir al conocimiento generalizado y actualizar los estándares y la formación.

Representaciones de datos

Aunque la nanotecnología es objeto de una experimentación significativa, gran parte de los datos no se almacenan en formatos estandarizados ni son ampliamente accesibles. Las iniciativas de nanoinformática buscan coordinar el desarrollo de estándares de datos y métodos informáticos. [ 5 ]

Ontologías

Descripción general de la ontología de nanomateriales de eNanoMapper

En el contexto de la ciencia de la información, una ontología es una representación formal del conocimiento dentro de un dominio , que utiliza jerarquías de términos, incluyendo sus definiciones, atributos y relaciones. Las ontologías proporcionan una terminología común en un marco legible por máquina que facilita el intercambio y el descubrimiento de datos. Contar con una ontología establecida para nanopartículas es importante para la nanomedicina oncológica debido a la necesidad de los investigadores de buscar, acceder y analizar grandes cantidades de datos. [ 6 ] [ 7 ]

La Ontología de Nanopartículas es una ontología para la preparación, composición química y caracterización de nanomateriales involucrados en la investigación del cáncer. Utiliza el marco de Ontología Formal Básica y está implementada en el Lenguaje de Ontología Web . Está alojada por el Centro Nacional de Ontología Biomédica y mantenida en GitHub . [ 6 ] La Ontología eNanoMapper es más reciente y reutiliza, siempre que sea posible, ontologías de dominio ya existentes. Como tal, reutiliza y extiende la Ontología de Nanopartículas, pero también la Ontología de Bioensayos, la Ontología de Factores Experimentales , la Ontología de Unidades y ChEBI . [ 8 ]

Formatos de archivo

Diagrama de flujo que muestra las formas de identificar los diferentes componentes de una muestra de material para guiar la creación de un archivo de material ISA-TAB-Nano.

ISA-TAB-Nano es un conjunto de cuatro formatos de archivo basados ​​en hojas de cálculo para representar y compartir datos de nanomateriales, [ 9 ] [ 10 ] basados ​​en el estándar de metadatos ISA-TAB . [ 11 ] En Europa, se han adoptado otras plantillas desarrolladas por el Instituto de Medicina Ocupacional , [ 12 ] y por el Centro Común de Investigación para el proyecto NANoREG. [ 13 ]

Herramientas

La nanoinformática no se limita a agregar y compartir información sobre nanotecnologías, sino que cuenta con muchas herramientas complementarias, algunas originadas en la quimioinformática y la bioinformática . [ 14 ] [ 15 ]

Bases de datos y repositorios

Durante la última década, se han creado varias bases de datos y repositorios de nanomateriales de acceso público para apoyar la nanoinformática y el modelado toxicológico. [ 16 ] [ 17 ] Estas bases de datos suelen almacenar datos fisicoquímicos, biológicos y toxicológicos estandarizados sobre nanomateriales diseñados y ofrecen conjuntos de datos listos para el modelado a la comunidad científica para permitir la reutilización de datos. Dada la limitación de la disponibilidad de datos en las tareas de nanoinformática, se prioriza la curación de grandes conjuntos de datos y su almacenamiento en repositorios accesibles para apoyar el modelado computacional, la evaluación regulatoria y la investigación basada en datos. [ 18 ]

caNanoLab, desarrollado por el Instituto Nacional del Cáncer de EE. UU. , se centra en nanotecnologías relacionadas con la biomedicina. [ 19 ] El Registro de Nanomateriales, mantenido por RTI International , es una base de datos curada de nanomateriales e incluye datos de caNanoLab. [ 20 ]

La base de datos eNanoMapper, un proyecto del Clúster de Nanoseguridad de la UE, es una implementación del software de base de datos desarrollado en el proyecto eNanoMapper. [ 21 ] Posteriormente se ha utilizado en otros entornos, como el Observatorio Europeo de Nanomateriales (EUON). [ 22 ] [ 23 ]

Otras bases de datos incluyen NanoInformatics Knowledge Commons (NIKC) del Centro para las Implicaciones Ambientales de la Nanotecnología [ 24 ] y NanoDatabank, [ 25 ] la Base de Datos de Información Contextual y de Exposición a Nanomateriales (NECID) de PEROSH , [ 26 ] Datos y Conocimiento sobre Nanomateriales (DaNa), [ 27 ] NanoPharos [ 28 ] y la base de datos Nano de Springer Nature . [ 29 ]

Aplicaciones

La nanoinformática tiene aplicaciones para mejorar los flujos de trabajo en la investigación fundamental, la fabricación y la salud ambiental , permitiendo el uso de métodos basados ​​en datos de alto rendimiento para analizar amplios conjuntos de resultados experimentales. [ 5 ]

La nanoinformática es especialmente útil en el diagnóstico y la terapéutica del cáncer basados ​​en nanopartículas. Estas son muy diversas debido a la gran cantidad combinatoria de modificaciones químicas y físicas que se les pueden realizar, las cuales pueden causar cambios drásticos en sus propiedades funcionales. Esto conduce a una complejidad combinatoria que supera con creces, por ejemplo, los datos genómicos. [ 6 ] La nanoinformática puede permitir el modelado de la relación estructura-actividad para fármacos basados ​​en nanopartículas. [ 6 ] La nanoinformática y el nanomodelado biomolecular proporcionan una vía para el tratamiento eficaz del cáncer. [ 30 ] La nanoinformática también permite un enfoque basado en datos para el diseño de materiales que satisfagan las necesidades de salud y medioambientales. [ 31 ]

Modelado y NanoQSAR

Vista como un proceso de flujo de trabajo, [ 2 ] la nanoinformática deconstruye estudios experimentales utilizando datos, metadatos , vocabularios controlados y ontologías para poblar bases de datos, de modo que se descubran tendencias, regularidades y teorías para su uso como herramientas computacionales predictivas. En cada etapa intervienen modelos, algunos materiales (experimentos, materiales de referencia , organismos modelo ) y otros abstractos (ontología, fórmulas matemáticas), y todos concebidos como una representación del sistema objetivo. Los modelos pueden utilizarse en el diseño experimental, sustituir a los experimentos o simular cómo cambia un sistema complejo a lo largo del tiempo. [ 32 ]

En la actualidad, la nanoinformática es una extensión de la bioinformática debido a las grandes oportunidades que ofrece la nanotecnología en aplicaciones médicas, así como a la importancia de las aprobaciones regulatorias para la comercialización de productos. En estos casos, los modelos a los que apuntan, sus propósitos, pueden ser fisicoquímicos, estimando una propiedad basada en la estructura (relación cuantitativa estructura-propiedad, QSPR); o biológicos, prediciendo la actividad biológica basada en la estructura molecular ( relación cuantitativa estructura-actividad , QSAR) o el desarrollo temporal de una simulación ( toxicocinética basada en la fisiología , PBTK). [ 33 ] [ 34 ] Cada uno de estos se ha explorado para el desarrollo de fármacos de molécula pequeña con un cuerpo de literatura que lo respalda.

Las partículas difieren de las entidades moleculares, especialmente por tener superficies que desafían el sistema de nomenclatura y el desarrollo de modelos QSAR/PBTK. Por ejemplo, las partículas no exhiben un coeficiente de partición octanol-agua , que actúa como una fuerza motriz en los modelos QSAR/PBTK; y pueden disolverse in vivo o tener brechas de banda. [ 35 ] Los modelos QSAR y PBTK actuales ilustrativos son los de Puzyn et al. [ 36 ] y Bachler et al. [ 37 ] La OCDE ha codificado criterios de aceptación regulatoria, [ 38 ] y hay hojas de ruta de orientación [ 5 ] [ 12 ] con talleres de apoyo [ 39 ] para coordinar los esfuerzos internacionales.

Comunidades

Las comunidades activas en nanoinformática incluyen el Clúster de Nanoseguridad de la Unión Europea , [ 40 ] el Grupo de Trabajo de Nanotecnología del Programa Nacional de Informática del Cáncer del Instituto Nacional del Cáncer de EE. UU., [ 41 ] [ 42 ] y las Comunidades de Investigación en Nanotecnología de EE. UU. y la UE. [ 43 ]

Funciones, responsabilidades e interfaces de comunicación en nanoinformática

Las personas que participan en la nanoinformática pueden considerarse que encajan en cuatro categorías de roles y responsabilidades para los métodos y datos de la nanoinformática: [ 4 ] [ 44 ] [ 45 ]

  • Clientes que necesitan los métodos para crear los datos, los datos en sí mismos o ambos, y que especifican las aplicaciones científicas, los métodos de caracterización y las necesidades de datos para sus fines previstos;
  • Creadores que desarrollan métodos y datos relevantes y fiables para satisfacer las necesidades de los clientes en la comunidad de la nanotecnología;
  • Curadores, quienes mantienen y garantizan la calidad de los métodos y los datos asociados; y
  • Analistas que desarrollan y aplican métodos y modelos para el análisis e interpretación de datos que son coherentes con la calidad y cantidad de los datos y que satisfacen las necesidades de los clientes.

En algunos casos, las mismas personas desempeñan los cuatro roles. Con mayor frecuencia, muchas personas deben interactuar, y sus roles y responsabilidades se extienden a lo largo de distancias, organizaciones y periodos de tiempo considerables. La comunicación efectiva es importante en cada uno de los doce vínculos (en ambas direcciones en cada una de las seis interacciones por pares) que existen entre los diversos clientes, creadores, curadores y analistas. [ 4 ]

Historia

Una de las primeras menciones de la nanoinformática se dio en el contexto del manejo de información sobre nanotecnología. [ 46 ]

Un taller internacional temprano con un debate sustancial sobre la necesidad de compartir todo tipo de información sobre nanotecnología y nanomateriales fue el Primer Simposio Internacional sobre Implicaciones de los Nanomateriales para la Salud Ocupacional, celebrado del 12 al 14 de octubre de 2004 en el Palace Hotel, Buxton , Derbyshire, Reino Unido. [ 47 ] El informe del taller [ 47 ] incluyó una presentación sobre Gestión de la Información para la Seguridad y la Salud en Nanotecnología [ 48 ] que describió el desarrollo de una Biblioteca de Información sobre Nanopartículas (NIL) y señaló que los esfuerzos para garantizar la salud y la seguridad de los trabajadores de nanotecnología y del público en general podrían mejorarse sustancialmente mediante un enfoque coordinado de la gestión de la información. Posteriormente, la NIL sirvió como ejemplo para el intercambio en línea de datos de caracterización de nanomateriales. [ 49 ]

En 2009, el Instituto Nacional del Cáncer preparó una visión preliminar de lo que entonces se denominaba informática de nanotecnología [ 50 ] , delineando diversos aspectos de lo que debería abarcar la nanoinformática. Posteriormente, se elaboraron dos hojas de ruta que detallaban las soluciones existentes, las necesidades y las ideas sobre cómo debería desarrollarse aún más el campo: la Hoja de Ruta Nanoinformática 2020 [ 5 ] y la Hoja de Ruta UE-EE. UU. Nanoinformática 2030 [ 12 ] .

En un taller de nanoinformática celebrado en 2013 se describieron los recursos actuales, las necesidades de la comunidad y la propuesta de un marco de colaboración para el intercambio de datos y la integración de información. [ 51 ]

Véase también

Referencias

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