Se cree que el ADN nos salvará de las computadoras. Con los avances en el reemplazo de transistores de silicio, las computadoras de ADN prometen proporcionarnos arquitecturas de computación paralela masivas que actualmente no son posibles. Pero aquí está el truco: los microcircuitos moleculares que se han inventado hasta ahora no han tenido absolutamente ninguna flexibilidad. Hoy en día, usar ADN para computar es como “construir una nueva computadora con nuevo hardware para ejecutar un solo programa”, dice el científico David Doty.
Doty, profesor de la Universidad de California en Davis, y sus colegas decidieron averiguar qué se necesitaría para construir una computadora de ADN que realmente pudiera reprogramarse.
Computadora de ADN
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En un artículo publicado esta semana en la revista Nature, Doty y sus colegas de la Universidad de California y Maynooth demostraron precisamente eso. Demostraron que se puede usar un simple disparador para forzar al mismo conjunto básico de moléculas de ADN a implementar muchos algoritmos diferentes. Si bien esta investigación aún es de naturaleza exploratoria, los algoritmos moleculares reprogramables podrían usarse en el futuro para programar robots de ADN que ya hayan entregado medicamentos con éxito a las células cancerosas.
En las computadoras electrónicas como la que usa para leer este artículo, los bits son unidades binarias de información que le dicen a la computadora qué hacer. Representan el estado físico discreto del equipo subyacente, generalmente en presencia o ausencia de corriente eléctrica. Estos bits, o incluso las señales eléctricas que los implementan, se transmiten a través de circuitos compuestos por puertas que realizan una operación en uno o más bits de entrada y proporcionan un bit como salida.
Al combinar estos simples bloques de construcción una y otra vez, las computadoras pueden ejecutar programas sorprendentemente complejos. La idea detrás de la computación del ADN es reemplazar las señales eléctricas con ácidos nucleicos (silicio) con enlaces químicos y crear software biomolecular. Según Eric Winfrey, científico informático de Caltech y coautor del trabajo, los algoritmos moleculares utilizan la capacidad de procesamiento de información natural incrustada en el ADN, pero en lugar de dar control a la naturaleza, "el proceso de crecimiento está controlado por computadoras".
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Durante los últimos 20 años, varios experimentos han utilizado algoritmos moleculares para cosas como jugar al tic-tac-toe o ensamblar varias formas. En cada uno de estos casos, las secuencias de ADN tuvieron que diseñarse cuidadosamente para crear un algoritmo particular que generaría la estructura del ADN. Lo diferente en este caso es que los investigadores han desarrollado un sistema en el que se pueden ordenar los mismos fragmentos básicos de ADN para crear algoritmos completamente diferentes y, por lo tanto, productos finales completamente diferentes.
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Este proceso comienza con el origami de ADN, un método para doblar una pieza larga de ADN en la forma deseada. Esta pieza de ADN enrollada sirve como una "semilla" (semilla), que inicia un transportador algorítmico, al igual que el caramelo crece gradualmente en una cuerda sumergida en agua azucarada. La semilla sigue siendo en gran parte la misma independientemente del algoritmo, y los cambios se realizan en solo unas pocas secuencias pequeñas para cada nuevo experimento.
Después de que los científicos crearon la semilla, la agregaron a una solución de otras 100 hebras de ADN, fragmentos de ADN. Estos fragmentos, cada uno de los cuales consta de una disposición única de 42 bases nucleicas (los cuatro compuestos biológicos principales que forman el ADN), se toman de una gran colección de 355 fragmentos de ADN creados por científicos. Para crear un algoritmo diferente, los científicos deben elegir un conjunto diferente de fragmentos iniciales. Un algoritmo molecular que implica una caminata aleatoria requiere diferentes conjuntos de fragmentos de ADN que el algoritmo utiliza para contar. A medida que estas piezas de ADN se unen durante el ensamblaje, forman un circuito que implementa el algoritmo molecular elegido en los bits de entrada proporcionados por la semilla.
Con este sistema, los científicos crearon 21 algoritmos diferentes que pueden realizar tareas como reconocer múltiplos de tres, elegir un líder, generar patrones y contar hasta 63. Todos estos algoritmos se implementaron utilizando diferentes combinaciones de los mismos 355 fragmentos de ADN.
Por supuesto, escribir código dejando caer fragmentos de ADN en un tubo de ensayo no funcionará todavía, pero toda esta idea representa un modelo para futuras iteraciones de computadoras flexibles basadas en ADN. Si Doty, Winfrey y Woods se salen con la suya, los programadores moleculares del mañana ni siquiera pensarán en la biomecánica subyacente a sus programas de la misma manera que los programadores modernos no necesitan comprender la física de los transistores para escribir un buen software.
Los usos potenciales de esta técnica de ensamblaje a nanoescala son asombrosos, pero estas predicciones se basan en nuestra comprensión relativamente limitada del mundo a nanoescala. Alan Turing no pudo predecir el surgimiento de Internet, por lo que puede haber algunas aplicaciones incomprensibles de la informática molecular.
Ilya Khel
