Modelos de computación lógica con ADN

La computación molecular es una disciplina que se ocupa del diseño e implementación de dispositivos para el procesamiento de información sobre un sustrato biológico, como el ácido desoxirribonucleico (ADN), el ácido ribonucleico (ARN) o las proteínas. Desde que Watson y Crick descubrieron en los años cincuenta la estructura molecular del ADN en forma de doble hélice, se desencadenaron otros descubrimientos como las enzimas que cortan el ADN o la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), contribuyendo más que signi�cativamente a la irrupción de la tecnología del ADN recombinante. Gracias a esta tecnología y al descenso vertiginoso de los precios de secuenciación y síntesis del ADN, la computación biomolecular pudo abandonar su concepción puramente teórica. En 1994, Leonard Adleman logró resolver un problema de computación NP-completo (El Problema del Camino de Hamilton Dirigido) utilizando únicamente moléculas de ADN. La gran capacidad de procesamiento en paralelo ofrecida por las técnicas del ADN recombinante permitió a Adleman ser capaz de resolver dicho problema en tiempo polinómico, aunque a costa de un consumo exponencial de moléculas de ADN. Utilizando algoritmos similares al de �fuerza bruta� utilizado por Adleman se logró resolver otros problemas NP-completos (por ejemplo, el de Satisfacibilidad de Fórmulas Lógicas / SAT). Pronto se comprendió que la computación con biomolecular no podía competir en velocidad ni precisión con los ordenadores de silicio, por lo que su enfoque y objetivos se centraron en la resolución de problemas biológicos con aplicación biomédica, dejando de lado la resolución de problemas clásicos de computación. Desde entonces se han propuesto diversos modelos de dispositivos biomoleculares que, de forma autónoma (sin necesidad de un bio-ingeniero realizando operaciones de laboratorio), son capaces de procesar como entrada un sustrato biológico y proporcionar una salida también en formato biológico: procesadores que aprovechan la extensión de la Polimerasa, autómatas que funcionan con enzimas de restricción o con deoxiribozimas, circuitos de hibridación competitiva. Esta tesis presenta un conjunto de modelos de dispositivos de ácidos nucleicos escalables, sensibles al tiempo y energéticamente e�cientes, capaces de implementar diversas operaciones de computación lógica aprovechando el fenómeno de la hibridación competitiva del ADN. La capacidad implícita de estos dispositivos para aplicar reglas de inferencia como modus ponens, modus tollens, resolución o el silogismo hipotético tiene un gran potencial. Entre otras funciones, permiten representar implicaciones lógicas (o reglas del tipo SI/ENTONCES), como por ejemplo, �si se da el síntoma 1 y el síntoma 2, entonces estamos ante la enfermedad A�, o �si estamos ante la enfermedad B, entonces deben manifestarse los síntomas 2 y 3�. Utilizando estos módulos lógicos como bloques básicos de construcción, se pretende desarrollar sistemas in vitro basados en sensores de ADN, capaces de trabajar de manera conjunta para detectar un conjunto de síntomas de entrada y producir un diagnóstico de salida. La reciente publicación en la revista Science de un autómata biomolecular de diagnóstico, capaz de tratar las células cancerígenas sin afectar a las células sanas, es un buen ejemplo de la relevancia cientí�ca que este tipo de autómatas tienen en la actualidad. Además de las recién mencionadas aplicaciones en el diagnóstico in vitro, los modelos presentados también tienen utilidad en el diseño de biosensores inteligentes y la construcción de bases de datos con registros en formato biomolecular que faciliten el análisis genómico. El estudio sobre el estado de la cuestión en computación biomolecular que se presenta en esta tesis está basado en un artículo recientemente publicado en la revista Current Bioinformatics. Los nuevos dispositivos presentados en la tesis forman parte de una solicitud de patente de la que la UPM es titular, y han sido presentados en congresos internacionales como Unconventional Computation 2010 en Tokio o Synthetic Biology 2010 en París.

Suplementación de raciones para cebo intensivo de terneros con aceites vegetales: rendimientos productivos, calidad de la canal, de la grasa y de la carne

Se han estudiado los efectos de la incorporación de aceites de origen vegetal sobre los rendimientos productivos, calidad de la canal y de la grasa en el ganado vacuno. Se utilizaron 240 terneros agrupados en 24 lotes de 10 terneros cada uno. Las raciones experimentales fueron: Tratamiento Control (4% de aceite de palma), Oliva (4,8% de jabón cálcico de aceite de oliva), Soja (4% de aceite de soja). De cada lote se seleccionó al azar un ternero (8 terneros por tratamiento) para diseccionar su 6ª costilla. No se han observado diferencias significativas entre tratamientos para ningún parámetro productivo ni de calidad de la canal. Los animales que consumieron aceite de oliva presentaron un mayor contenido (P=0,09) en C18:2 cis-9, trans-11 CLA en la grasa intramuscular que los que consumieron palma.

Suplementación de raciones para cebo intensivo de terneros con aceites vegetales: calidad de carne

Se han estudiado los efectos de la incorporación de aceites de origen vegetal sobre la calidad de carne en el ganado vacuno. Se utilizaron 240 terneros agrupados en 24 lotes de 10 terneros cada uno. Las raciones experimentales fueron: Tratamiento Control (4% de aceite de palma), Oliva (4,8% de jabón cálcico de aceite de oliva), Soja (4% de aceite de soja). De cada lote se seleccionó al azar un ternero (8 terneros por tratamiento) para diseccionar su 6ª costilla. Se tomaron medidas de pH, color y textura del músculo Longissimus dorsi. Por último se realizó un análisis sensorial mediante un panel de catadores en el que se analizaron los parámetros de olor, textura y flavor de la carne. La carne de los animales alimentados con aceite de palma (Control) presentó el valor más alto (P<0,05) en la coordenada a*, y la carne de los terneros alimentados con aceite de soja presentó el valor del área total más bajo (P<0,001). En el pH, medido después de descongelar la carne envasada al vacío para realizar la prueba de color, no se observan diferencias significativas entre los tratamientos (P>0,05). En el análisis sensorial de la carne no se han observado diferencias significativas en los parámetros estudiados.

Eficacia del rimadyl® en el control del dolor y la recuperación postquirúrgica después de una cirugía por dislocación abomasal

Se han estudiado los efectos de la aplicación de Rimadyl® (carprofeno 50 mg/ml) sobre la concentración de cortisol, temperatura rectal, frecuencia respiratoria, frecuencia cardiaca y motilidad ruminal, con el objetivo evaluar su eficacia en el control del dolor y la recuperación postquirúrgica, al aplicarlo antes de la cirugía por dislocación abomasal. Se seleccionaron 24 vacas de características similares que iban a someterse a cirugía por dislocación abomasal y se asignaron al azar a uno de los dos tratamientos experimentales: Rimadyl® o suero salino fisiológico. La aplicación de Rimadyl® disminuye (P=0,006) la concentración plasmática de cortisol (11,3 ng/mL vs 22,13 ng/mL). Con el tiempo se reducen (P=0,024) los niveles de cortisol plasmático. Esta reducción es más acusada (P=0,0003) con Rimadyl® a las 6 horas de su aplicación. La producción de leche postcirugía fue mayor en los animales que recibieron Rimadyl® en comparación con los que se les aplicó suero salino fisiológico

Inference Models in DNA Computing

La computación molecular es una disciplina que se ocupa del diseño e implementación de dispositivos para el procesamiento de información sobre un sustrato biológico, como el ácido desoxirribonucleico (ADN), el ácido ribonucleico (ARN) o las proteínas. Desde que Watson y Crick descubrieron en los años cincuenta la estructura molecular del ADN en forma de doble hélice, se desencadenaron otros descubrimientos, como las enzimas de restricción o la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), contribuyendo de manera determinante a la irrupción de la tecnología del ADN recombinante. Gracias a esta tecnología y al descenso vertiginoso de los precios de secuenciación y síntesis del ADN, la computación biomolecular pudo abandonar su concepción puramente teórica. El trabajo presentado por Adleman (1994) logró resolver un problema de computación NP-completo (El Problema del Camino de Hamilton dirigido) utilizando únicamente moléculas de ADN. La gran capacidad de procesamiento en paralelo ofrecida por las técnicas del ADN recombinante permitió a Adleman ser capaz de resolver dicho problema en tiempo polinómico, aunque a costa de un consumo exponencial de moléculas de ADN. Utilizando algoritmos de fuerza bruta similares al utilizado por Adleman se logró resolver otros problemas NP-completos, como por ejemplo el de Satisfacibilidad de Fórmulas Lógicas / SAT (Lipton, 1995). Pronto se comprendió que la computación biomolecular no podía competir en velocidad ni precisión con los ordenadores de silicio, por lo que su enfoque y objetivos se centraron en la resolución de problemas con aplicación biomédica (Simmel, 2007), dejando de lado la resolución de problemas clásicos de computación. Desde entonces se han propuesto diversos modelos de dispositivos biomoleculares que, de forma autónoma (sin necesidad de un bio-ingeniero realizando operaciones de laboratorio), son capaces de procesar como entrada un sustrato biológico y proporcionar una salida también en formato biológico: procesadores que aprovechan la extensión de la polimerasa (Hagiya et al., 1997), autómatas que funcionan con enzimas de restricción (Benenson et al., 2001) o con deoxiribozimas (Stojanovic et al., 2002), o circuitos de hibridación competitiva (Yurke et al., 2000). Esta tesis presenta un conjunto de modelos de dispositivos de ácidos nucleicos capaces de implementar diversas operaciones de computación lógica aprovechando técnicas de computación biomolecular (hibridación competitiva del ADN y reacciones enzimáticas) con aplicaciones en diagnóstico genético. El primer conjunto de modelos, presentados en el Capítulo 5 y publicados en Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2012b), Rodríguez-Patón et al. (2010a) y Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2010), define un tipo de biosensor que usa hebras simples de ADN para codificar reglas sencillas, como por ejemplo "SI hebra-ADN-1 Y hebra-ADN-2 presentes, ENTONCES enfermedad-B". Estas reglas interactúan con señales de entrada (ADN o ARN de cualquier tipo) para producir una señal de salida (también en forma de ácido nucleico). Dicha señal de salida representa un diagnóstico, que puede medirse mediante partículas fluorescentes técnicas FRET) o incluso ser un tratamiento administrado en respuesta a un conjunto de síntomas. El modelo presentado en el Capítulo 5, publicado en Rodríguez-Patón et al. (2011), es capaz de ejecutar cadenas de resolución sobre fórmulas lógicas en forma normal conjuntiva. Cada cláusula de una fórmula se codifica en una molécula de ADN. Cada proposición p se codifica asignándole una hebra simple de ADN, y la correspondiente hebra complementaria a la proposición ¬p. Las cláusulas se codifican incluyendo distintas proposiciones en la misma hebra de ADN. El modelo permite ejecutar programas lógicos de cláusulas Horn aplicando múltiples iteraciones de resolución en cascada, con el fin de implementar la función de un nanodispositivo autónomo programable. Esta técnica también puede emplearse para resolver SAP sin ayuda externa. El modelo presentado en el Capítulo 6 se ha publicado en publicado en Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2012c), y el modelo presentado en el Capítulo 7 se ha publicado en (Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón, 2013c). Aunque explotan métodos de computación biomolecular diferentes (hibridación competitiva de ADN en el Capítulo 6 frente a reacciones enzimáticas en el 7), ambos modelos son capaces de realizar inferencia Bayesiana. Funcionan tomando hebras simples de ADN como entrada, representando la presencia o la ausencia de un indicador molecular concreto (una evidencia). La probabilidad a priori de una enfermedad, así como la probabilidad condicionada de una señal (o síntoma) dada la enfermedad representan la base de conocimiento, y se codifican combinando distintas moléculas de ADN y sus concentraciones relativas. Cuando las moléculas de entrada interaccionan con las de la base de conocimiento, se liberan dos clases de hebras de ADN, cuya proporción relativa representa la aplicación del teorema de Bayes: la probabilidad condicionada de la enfermedad dada la señal (o síntoma). Todos estos dispositivos pueden verse como elementos básicos que, combinados modularmente, permiten la implementación de sistemas in vitro a partir de sensores de ADN, capaces de percibir y procesar señales biológicas. Este tipo de autómatas tienen en la actualidad una gran potencial, además de una gran repercusión científica. Un perfecto ejemplo fue la publicación de (Xie et al., 2011) en Science, presentando un autómata biomolecular de diagnóstico capaz de activar selectivamente el proceso de apoptosis en células cancerígenas sin afectar a células sanas.

Alojamiento de terneros

A lo largo de las próximas páginas se van a abordar una serie de aspectos relacionados con los alojamientos para terneros. Las posibilidades de diseño son diversas y en la elección de la solución más adecuada pesan un buen número de factores condicionantes que hay que considerar detenidamente. Quizá sean los terneros el grupo de animales de una explotación bovina al que se le ha prestado una menor atención, en razón, quizá, de no tratarse de una fase productiva, en el sentido monetario del término. Es evidente que terneros criados en ambientes poco favorables puede que no lleguen nunca a expresar todo su potencial genético, bien se trate de producción de leche o de producción de carne. Aún más, los datos recogidos en muchísimas granjas nos dicen que se mueren demasiados terneros, con las pérdidas económicas que ello supone. Una de las principales razones de los altos índices de mortalidad es el inadecuado alojamiento en el que se coloca a los terneros durante esta fase crítica que son sus 2 -3 primeros meses de vida. Estudiaremos, por tanto, las necesidades ambientales de estos animales así como las condiciones básicas que deben cumplir los locales donde se alojan. Para finalizar esta introducción, no podemos olvidar que los alojamientos, por sí solos, no garantizan el éxito de una explotación, sino que es fundamental garantizar cada uno de los demás pilares de la producción animal: alimentación, manejo, higiene, sanidad y calidad genética de los propios animales.

Plan de ordenación de los pastos en la dehesa Lomo Peral, monte de utilidad pública número 106 en Prádena del Rincón (Madrid)

Este trabajo pretende ser la base para la implantación de un Plan de Ordenación de los pastos de la dehesa Lomo Peral, Monte de Utilidad Pública número 106, que se encuentra en el municipio Prádena del Rincón, en la Comunidad de Madrid (CM). A partir de las Instrucciones de Ordenación de Montes de la Comunidad de Madrid (2010), se ha elaborado un análisis de la situación agroforestal actual de la dehesa, su potencial para producir pastos y las posibles salidas al mercado de los productos derivados de su explotación, en este caso ganadería ovina y bovina.