Análisis por computador de imágenes de geles de electroforesis: métodos avanzados de manejo de meta-información y procesamiento digital de imágenes

Abstract

La caracterización molecular se entiende como el proceso mediante el cual se determinan atributos conspicuos de una molécula en particular. Este trabajo continua con el desarrollo de algoritmos a ser utilizados en un sistema computacional para apoyar labores de caracterización molecular, que permite asociar características particulares a organismos de acuerdo a la composición de moléculas como el ADN, ARN, proteínas, etc. Dicha composición se evalúa en este caso particular a través de los llamados geles de electroforesis, cuyas imágenes presentan usualmente bajos contrastes y distorsiones que di cultan su uso. Este proyecto aporta nuevos algoritmos y estructuras para la administración de información a ser integrados en una herramienta informática que persigue potenciar la utilidad de las imágenes de geles de electroforesis, reduciendo por un lado los tiempos invertidos en su análisis y por otro lado incrementando la con abilidad y robustez de los resultados obtenibles, compensando errores originados por el factor humano, y facilitando el rescate de información oculta. Además, la herramienta se encarga de manejar metainformación asociada a las imágenes, que incluye todo el proceso desde la toma de la muestra hasta la captura misma de las imágenes, con el n de permitir posteriormente la búsqueda de datos por medio de esa metainformación. El proyecto culmina luego de 5 años, que es aproximadamente una mitad del tiempo en que proyectos similares en Irlanda y Austria han estado publicando sus avances. Resta por iniciar el proceso de desarrollo de producto, que escapa al marco de trabajo del proyecto de investigación. Este informe muestra los aportes alcanzados en el proyecto en cuanto a algoritmos y métodos, capaces de brindar mayor automatización en laboratorios de biología molecular. Los resultados principales se concentran, por un lado, en la consolidación de la arquitectura propuesta anteriormente para todo el sistema, la puesta en marcha de un sistema adaptativo de captura, compensación de distorsiones ópticas y de perspectiva en la detección de carriles, un sistema de difusión con mejoramiento de coherencia con ltro orientado para corregir la distorsión del efecto sonrisa, y un complejo sistema de detección de las bandas en un carril que combina análisis en el espacio de escala con procesos de optimización. Por otro lado, se diseño el sistema de bases de datos distribuidas y métodos avanzados de consulta basados en minería de datos. Finalmente, se establecieron los protocolos para generación de electroforesis en gel de gradiente desnaturalizante, que se utilizaron en el análisis de diversidad bacteriana en muestras de suelo y agua.

Molecular characterization is the process in which conspicuous attributes of specific molecules are determined. This work continues with the development of algorithms to be used in a computational system to support tasks of molecular characterization, which allows to link particular features to organism according to the composition of molecules such as DNA, RNA, proteins, etc. Such composition is evaluated in this particular case through electrophoresis gels, whose images usually exhibit low contrast and distortions that draw their use difficult. This project contributes with new algorithms and structures for information management to a computational tool that improves the electrophoresis gel images utility, by reducing the invested times in their analysis and by augmenting the reliability and robustness of the obtainable results,, compensating errors originated in human factors, and making easier the recovery of hidden information. Additionally, the tool is capable of managing metainformation associated to the images, including the whole process from the sample taking to the image capture, with the goal to allow advance search of data based on that metainformation. This project finishes after five yearis now three years young, which is approximately one half of the time of existence of similar projects in Ireland and Austria that have been publishing their results. This report shows valuable contributions in the proposed algorithms, capable to improve the degree of process automation in the molecular biology laboratories The main results reside, on one side, in the consolidation of the proposed architecture for the whole system, the creation of an apative capture system, the compensation of optical and perpective distortions in the lane detection, the coherence enhanced diffusion system improved by orientation filtering to correct the distortions caused by the smileeffect, and a novel system for the band detection in a lane which combines scale-space analysis with optimization processes. On the other side, a distributed data base system has been designed and advanced query methods based on data mining are proposed. Last, but not least, protocols have been established for the generation of denaturing gradient gel electrphoresis, which have been used in the analysis of bacterial diversity in soil and water samples.