miniaturadeimagen|Red Human Interactome visualizada por Cytoscape 2.5. Una red biológica es una red aplicada a sistemas biológicos. Una red es un sistema con subunidades conectadas entre sí dentro de un todo, como unidades de especies conectadas dentro de una red trófica. Las redes biológicas proveen una representación matemática de conexiones que se pueden encontrar en estudios de ecología, evolución y fisiología; por ejemplo, las redes neuronales.[ Proulx, S. R.; Promislow, D. E. L.; Phillips, P. C. (2005). "Network thinking in ecology and evolution" (PDF). Trends in Ecology and Evolution. 20 (6): 345–353. doi:10.1016/j.tree.2005.04.004. PMID 16701391. Archived from the original (PDF) on 2011-08-15.] El análisis de las redes biológicas referente a las enfermedades humanas ha dado lugar al campo de la medicina de redes.[ Barabási, A. L.; Gulbahce, N.; Loscalzo, J. (2011). "Network medicine: a network-based approach to human disease". Nature Reviews Genetics. 12(1): 56–68. doi:10.1038/nrg2918. PMC 3140052. PMID 21164525.][ Habibi, Iman; Emamian, Effat S.; Abdi, Ali (2014-10-07). "Advanced Fault Diagnosis Methods in Molecular Networks". PLOS ONE. 9 (10): e108830. Bibcode:2014PLoSO...9j8830H. doi:10.1371/journal.pone.0108830. ISSN 1932-6203. PMC 4188586. PMID 25290670.]
Biología de redes y bioinformática Los sistemas biológicos complejos pueden representarse analizarse como redes computables. Por ejemplo, los ecosistemas pueden modelarse como redes de especies o una proteína puede ser modelada como una red de aminoácidos. A su vez, los aminoácidos pueden representarse como una red de átomos conectados entre sí, como el carbono, el nitrógeno y el oxígeno. Los nodos y los enlaces son los componentes básicos de una red. Los nodos representan unidades dentro de la red, mientras que los enlaces representan las interacciones entre las unidades. Los nodos pueden representar un gran rango de unidades biológicas, desde individuos hasta neuronas. Dos propiedades importantes de una red son el grado y la centralidad de intermediación (<<betweenness>>). El grado es el número de enlaces que conectan a un nodo. La centralidad de intermediación es una medida de cuán central es un nodo dentro de una red. Los nodos con una centralidad alta sirven como puentes entre diferentes partes de una red (por ejemplo, las interacciones deben pasar por este nodo para llegar a otras partes de la red). En redes sociales, los nodos con un grado alto o una centralidad alta pueden jugar un papel importante en la composición total de la red. Al comienzo de la década de 1980, investigadores comenzaron a visualizar el ADN o los genomas como el depósito dinámico de un sistema de lenguaje con estados finitos computables, representado como una máquina de estado finito.[Searls, D. (1993). Artificial intelligence and molecular biology. Cambridge, MA: MIT Press.] Nuevas investigaciones sobresistemas complejos también han sugerido puntos de coincidencia en cuanto a la organización de información en problemas de biología, computación y física, tal como el condensado de Bose-Einstein (un estado especial de la materia) ]].[Bianconi, G. & Barabasi A. (2001). "Bose-Einstein condensation in complex networks". Phys. Rev. Lett. 86 (24): 5632–5635. arXiv:cond-mat/0011224. Bibcode:2001PhRvL..86.5632B. doi:10.1103/physrevlett.86.5632. hdl:2047/d20000696. PMID 11415319.] La bioinformática ha ido cambiando su foco de genes, proteínas y algoritmos de búsqueda a redes de gran escala, comúnmente denotadas –omas, como bioma, genoma, interactoma y proteoma. Tales estudios teóricos han revelado que las redes biológicas comparten muchas propiedades con otras redes como la Internet o las redes sociales.
Redes en biología
Redes de interacción proteína-proteína Muchas de las interacciones proteína-proteína (IPP) que ocurren dentro de una célula forman redes de interacción proteica (RIP) donde las proteínas son nodos y las interacciones entre ellas son los enlaces.[Habibi, Iman; Emamian, Effat S.; Abdi, Ali (2014-01-01). "Quantitative analysis of intracellular communication and signaling errors in signaling networks". BMC Systems Biology. 8: 89. doi:10.1186/s12918-014-0089-z. ISSN 1752-0509. PMC 4255782. PMID 25115405.] Las RIPs son las redes que más se estudian en biología. Existen una docena métodos de detección de IPP para identificar tales interacciones. La técnica del doble híbrido en levadura es una técnica experimental comúnmente utilizada para el estudio de interacciones binarias.[Mashaghi, A.; et al. (2004). "Investigation of a protein complex network". European Physical Journal. 41 (1): 113–121. arXiv:cond-mat/0304207. Bibcode:2004EPJB...41..113M. doi:10.1140/epjb/e2004-00301-0.] Estudios recientes han evidenciado que las redes moleculares se conservan a lo largo de tiempos considerables, en términos evolutivos.[Sharan, R.; et al. (2005). "Conserved patterns of protein interaction in multiple species". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (6): 1974–1979. Bibcode:2005PNAS..102.1974S. doi:10.1073/pnas.0409522102. PMC 548573. PMID 15687504.] Además, se ha descubierto que las proteínas con alto grado de conectancia muestran una mayor probabilidad de ser esenciales para la supervivencia que proteínas con menor grado[Jeong, H.; et al. (2001). "Lethality and centrality in protein networks". Nature. 411 (6833): 41–42. arXiv:cond-mat/0105306. Bibcode:2001Natur.411...41J. doi:10.1038/35075138. PMID 11333967] Esto sugiere que la composición total de la red (y no simplemente las interacciones entre pares de proteínas) es importante para el funcionamiento global de un organismo.
Redes de regulación génica (redes de interacción ADN-proteína) La actividad de los genes es regulada por factores de transcripción, proteínas que se unen típicamente al ADN. La mayoría de los factores de transcripción se unen a múltiples sitios de unión de un genoma. Como resultado, todas las células poseen una red compleja regulatoria. Por ejemplo, el genoma humano codifica para alrededor de 1400 factores de transcripción que regulan la expresión de más de 20.000 genes humanos (11). Las tecnologías para estudiar redes de regulación génica incluyen ChIP-chip, ChIP-seq y CliP-seq.
Redes de co-expresión génica (redes de asociación transcripto-transcripto) Estas redes pueden interpretarse como redes de asociación entre variables que miden la abundancia de transcriptos. Proveen un análisis de datos de microarreglos de ADN, datos ARN-seq, datos de miARN, etc. El análisis de redes de co-expresión génica ponderadas es ampliamente usado para identificar módulos de co-expresión y genes <<hub>> intramodulares. Los módulos de co-expresión pueden corresponder a tipos o vías celulares. Los <<hubs>> intramodulares que están altamente conectados pueden interpretarse como representativos de su módulo respectivo.
Redes metabólicas Los compuestos químicos de una célula están conectados por reacciones químicas que convierten un compuesto en otro. Las reacciones son catalizadas por enzimas. Así, todos los compuestos de una célula son parte de una intricada red bioquímica de reacciones, llamada red metabólica. Es posible utilizar el análisis de redes para inferir cómo la selección actúa sobre las vías metabólicas.
Redes de señalización Las señales son transducidas dentro de una célula o entre células, y así forman redes complejas de señalización. Por ejemplo, la vía MAPK/ERK es transducida desde la membrana celular al núcleo a través de una serie de interacciones proteína-proteína, reacciones de fosforilación y otros eventos. Las redes de señalización típicamente integran las redes de interacción proteína-proteína, las redes de regulación génica y las redes metabólicas.
Redes neuronales Las interacciones complejas que ocurren en el cerebro lo hacen un candidato perfecto para la aplicación de la teoría de redes. Las neuronas en el cerebro están profundamente conectadas entre sí, lo cual resulta en una la presencia de redes complejas en los aspectos estructurales y funcionales del cerebro.[Bullmore, E. & O. Sporns (2009). "Complex brain networks: graph theoretical analysis of structural and functional systems". Nature Reviews Neuroscience. 10 (3): 186–198. doi:10.1038/nrn2575. PMID 19190637.] Por ejemplo, se han mostrado propiedades de redes de pequeño mundo en conexiones entre áreas corticales del cerebro de primates[Stephan, K.E.; et al. (2000). "Computational analysis of functional connectivity between areas of primate cerebral cortex". Philosophical Transactions of the Royal Society B. 355 (1393): 111–126. doi:10.1098/rstb.2000.0552. PMC 1692715. PMID 10703047.] o durante la deglución en humanos.[Jestrović, Iva; Coyle, James L; Perera, Subashan; Sejdić, Ervin (2016-12-01). "Functional connectivity patterns of normal human swallowing: difference among various viscosity swallows in normal and chin-tuck head positions". Brain Research. 1652: 158–169. doi:10.1016/j.brainres.2016.09.041. ISSN 0006-8993. PMC 5102805. PMID 27693396.] Esto sugiere que las áreas corticales del cerebro no están directamente conectadas entre sí, sino que la mayoría de las áreas pueden ser accedidas desde todas las otras a través de unas pocas interacciones.
Redes tróficas (redes alimentarias) Todos los organismos están conectados a través de interacciones de alimentación. En otras palabras, si una especie se alimenta de o es consumida por otra especie, ambas están conectadas entre sí, y pertenecen a una red intricada de interacciones predador-presa. La estabilidad de estas interacciones ha sido una pregunta clave en la disciplina de la ecología[MacArthur, R.H. (1955). "Fluctuations in animal populations and a measure of community stability". Ecology. 36 (3): 533–536. doi:10.2307/1929601. JSTOR 1929601.] Es decir, qué ocurre con la red si se remueven ciertos individuos: ¿se adapta o colapsa? El análisis de redes puede ser utilizado para estudiar cómo la remoción de especies influencia la red como un todo.[Dunne, J.A.; et al. (2002). "Network structure and biodiversity loss in food webs: robustness increases with connectance". Ecology Letters. 5 (4): 558–567. doi:10.1046/j.1461-0248.2002.00354.x.] Esto es particularmente importante al considerar la potencial pérdida de especies debida al cambio climático global. También se puede explorar la estabilidad de la red trófica y determinar si ciertas propiedades resultan en redes más estables.
Redes de interacción entre especies