• Nombre de la Asignatura: Sistemas Bioinspirados
• Opción Complementaria: Sistemas Bioinspirados
• Tipo de Asignatura: Énfasis
• Modalidad: Teórico-Práctica
• Intensidad Horaria: 3 horas / semana

La convergencia entre las Ciencias Biológicas, las Ciencias de la Computación y la Electrónica ha dado lugar a enfoques interdisciplinares de tipo Biocomputacional, con interacciones que se dan a diversas escalas desde las moléculas hasta los ecosistemas. De este modo las ciencias biológicas y las ciencias de la computación se nutren entre sí, dando origen a dos grandes líneas de trabajo: la primera en la cual las ciencias de la computación utilizan modelos biológicos como fuente de inspiración para la creación de paradigmas y de arquitecturas de cómputo, ejemplo de ello lo constituyen las redes neuronales, los algoritmos genéticos, la computación por enjambres, la lógica genética, los sistemas inmunes artificiales, la bioquímica artificial, entre otras. La segunda considera los seres vivos como sistemas y trata de comprender los mecanismos que hacen posible la vida desde una perspectiva computacional, enfocada en particular a dilucidar los procesos que subyacen a la expresión de los genes en proteínas, sus funciones fisiológicas asociadas, las disfunciones provocadas por los polimorfismos de cada gen, y las patologías surgidas de la interacción gen-gen y gen-factor ambiental.

La evolución del pensamiento científico ha demostrado la necesidad de los enfoques interdisciplinarios. En lo que a la biología en general y a la biología humana y la medicina concierne, el aporte que la Física, la Química, la Matemática y la Ingeniería han realizado a la comprensión de la biología y a la solución de problemas biológicos ha demostrado la conveniencia y la necesidad de esta interdisciplinariedad.
Es así como en este curso se pondrá especial énfasis en identificar y conocer procesos celulares homologables a procesos de ingeniería con el objeto de acercar la biología a los estudiantes de otras disciplinas y promover así a la formación de profesionales con un enfoque más integral que les permita dar soluciones más apropiadas a problemas complejos.

El curso Sistemas Bioinspirados corresponde al curso esencial de la Opción Complementaria en Sistemas Bioinspirados y tiene duración de un semestre académico. Comprende tres bloques: el primero establece una aproximación a los conceptos biológicos esenciales desde el punto de vista sistémico; el segundo se enfoca en describir los modelos computacionales emanados de equivalentes biológicos, y, finalmente, el tercero hace referencia a la implementación de dichos modelos en dispositivos de hardware, particularmente en arquitecturas de hardware reconfigurable.

Aportar al alumno de Ingeniería las bases de la biología que le permitan comprender y diseñar sistemas de cómputo y electrónicos cuyos modelos provengan de una inspiración biológica.

a) Relacionar la estructura y el funcionamiento de los seres vivos con la organización y la integración en múltiples niveles de complejidad.

b) Describir los procesos mas básicos correspondientes a los niveles subcelulares desde la química y la integración de tales procesos que resultan en niveles emergentes más complejos.

c) Describir la célula como una entidad abierta y dinámica cuya estabilidad requiere un permanente flujo de materia, energía e información.

d) Establecer puntos de comparación entre la descripción y el análisis de sistemas en biología con sus contrapartes en ingeniería para así generar modelos y simulaciones de los mismos que sean válidos para ambas disciplinas.

e) Familiarizarse con las arquitecturas en hardware reconfigurable apropiadas para implementar sistemas bioinspirados.

PRESENTACIÓN DEL CURSO. Introducción. Organización y contenido del curso. Papel central de la teoría celular en las ciencias biológicas. Célula. Concepto. Características generales. Organización celular. Células Eucariota y Procariota.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN EN BIOLOGÍA. Sistemas Abióticos: Átomos. Moléculas, Supramoléculas y Organelas. Sistemas Bióticos: Célula, Tejido, Órgano, Aparato y Sistema. Organización y estructura general de las células eucariotas.

BIOMOLÉCULAS. Proteínas: funciones biológicas. Enlace peptídico. Estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Enzimas. DNA. Estructura general: bases nitrogenadas. Función biológica. RNA. Dogma Genético. Replicación. Transcripción.

BIOPROCESOS. Rutas metabólicas. Catálisis enzimática. Redes genéticas de regulación. Factores de transcripción. Primeros, segundos y terceros mensajeros.

AGENTES COMPUTACIONALES. Computación distribuida y paralela. Computación local. Paso de mensajes. Tipos de agentes.

MODELOS COMPUTACIONALES BIOINSPIRADOS. Redes neuronales. Algoritmos genéticos. Computación por enjambres. Sistemas inmunes artificiales. Bioquímica artificial. Citocomputación (Rutas metabólicas y Redes genéticas de regulación).

HARDWARE BIOINSPIRADO. Arquitecturas reconfigurables. Reconfiguración dinámica. Enrutado dinámico.

Lecturas dirigidas: En donde el alumno recibirá un material de estudio y elaborará conocimiento a través de la lectura previa del material sugerido.
Seminarios interactivos: En donde se discutirán las lecturas realizadas y se interpretarán sus conclusiones a la luz de los modelos computacionales y electrónicos.
Proyecto práctico: En donde se materializarán los conceptos e ideas discutidos a través de una implementación práctica en hardware/software.

Informes de lecturas (30%)

Participación activa en Seminarios (30%)

Proyecto Informe (10%)

Proyecto Implementación (30%)

1. Abbas, A., Lichtman, A. y otros (2004). Inmunología celular y molecular. Elsevier.

2. Cooper, G. (2006). Cell: a molecular approach. Sinauer Associates, Inc.

3. Curtis, H. (2000). Biología. Editorial Médica Panamericana.

4. De La Fuente, R. y Alvarez F.J. (1999). Biología de la Mente. Fondo Cultura Econ.

5. De Robertis, E. (2000). Biología celular y molecular. Ateneo.

6. Kandel, E. y otros (2006). Neural Science and Behavior. Appleton Lange.

7. Karp, G. (2007). Cell and Molecular Biology. Academic Internet Publishers.

8. Lehninger, A. (2004). Principles of Biochemistry. W.H. Freeman.

9. Lodish, H. (2003). Molecular cell biology. W.H. Freeman.

10. Purves, Sadava, Orians y Heller (2003). Vida: la ciencia de la biología. Ed. Médica Panam.

11. Squire, L. y Kandel, E. (2000). Memory: from Mind to Molecules. Sci. Am. Library.

12. Stryer, L. (2006). Biochemistry. W.H. Freeman.

13. Watson, J. y otros. (2006). Molecular Biology of the Gene. Benjamin/Cummings.

14. D. Floreano and C. Mattiussi, Bio-Inspired Artificial Intelligence. MIT Press, 2008.

15. R. Paton, H. Bolouri, M. Holcombe, and J.H. Parish, Computation in Cells and Tissues: Perspectives and Tools of Thought, Natural Computing. Springer, 2004.