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ZAPPING 0172, 30-abr-2003

Biocomputación

Computadora de ADN que funciona sin energía externa

En el 2001, los científicos del Instituto Weizmann de Ciencia de Israel anunciaron a la prensa que habían construido una computadora tan pequeña que podrían caber un millón de millones de ellas en una gota de agua. El software de estos artefactos estaba compuesto de ADN y enzimas y podía realizar, en conjunto, mil millones de operaciones por segundo. El mismo equipo acaba de anunciar un nuevo modelo de su máquina biomolecular, que ya no necesita una fuente de alimentación externa y que trabaja cincuenta veces más rápido que su predecesora. El libro Guinness de los Records mundiales registró esta máquina como el equipo de computación biológico más pequeño que existe.

Durante años se han propuesto varios diseños de computadoras minúsculas que apuntan a explotar la capacidad del ADN para guardar cantidades masivas de datos. Los primeros esquemas se basaban en una molécula conocida como ATP, que es una fuente de energía común para las reacciones celulares, a las que aporta combustible. Pero en las nuevas configuraciones, una molécula de ADN provee tanto los datos iniciales como energía suficiente para completar el cómputo.

Ehud Shapiro, el director del proyecto israelí, y sus colegas, describieron su computadora de ADN en un reporte que se publicó hace muy poco en los Proceedings of the National Academy of Sciences.

A ambos modelos de la computadora molecular les llamaron automatones. Dada una cadena de caracteres de entrada con datos codificados en dos estados diferentes (binario), un automaton usará reglas prefijadas para arribar a un valor de salida que responda a una pregunta en particular. Por ejemplo, es capaz de determinar si una cadena de caracteres que contiene sólo letras a y b tiene un número par de letras a, o si todas las letras b son precedidas por letras a.


La ilustración muestra la molécula de ADN de entrada (en color verde-azulado), las moléculas del software (en púrpura-rojizo) y las FokI (bandas coloreadas).

En el diseño más nuevo, para realizar los pasos del cómputo se enlazan dos moléculas de ADN. Una enzima conocida como FokI hace las veces de hardware o estructura física, ya que corta piezas de la molécula de entrada y libera la energía que contienen los enlaces químicos. Esta energía calórica alimenta el siguiente paso del cómputo.

Los autores informaron que un microlitro de solución puede contener tres billones (millón de millones) de computadoras, que juntas pueden realizar sesenta y seis mil millones de operaciones por segundo.

 

Contadores de ADN sobre silicio

Cuando se trata de analizar moléculas biológicas tales como proteínas o ADN, las pruebas que se hacen con tubos de ensayo pueden hacerse demasiado largas. Por esta razón muchos científicos están trabajando para crear lo que llaman "chip laboratorio" y otros dispositivos a nanoescala diseñados especialmente para ordenar, medir y contar las diversas moléculas que forman la vida orgánica. Estos investigadores quieren lograr, entre otras cosas, pruebas de laboratorio genéticas y de diagnóstico más exactas.

Harold Craighead, director del Centro Cornell de Nanobiotecnología, describió algunos de sus prototipos en la reunión anual de la American Association for the Advancement of Science (AAAS) que se celebró en San Francisco.

El laboratorio de Craighead trabajó con una base alternativa a los geles orgánicos que se utilizan en la electroforesis de ADN. Esta nueva base es el silicio. La técnica tradicional se basa en un campo eléctrico que atrae fragmentos de ADN a través de los diminutos poros del gel. Los fragmentos de longitudes distintas se mueven a velocidades diferentes y se reúnen en bandas separadas, que se pueden fotografiar usando marcadores radiactivos o fluorescentes. En los aparatos de Craighead, el gel se reemplaza con unas estructuras de silicio con pequeñísimos poros, o también puede ser una estructura arbolada de diminutas columnas o paletas. La utilidad de estos nano-tamices no es exclusiva para seleccionar moléculas de ADN, sino que pueden separar proteínas, carbohidratos o lípidos, lo que expande los límites de la capacidad de análisis de pequeñas cantidades de productos bioquímicos. También ofrece la posibilidad de crear nuevas habilidades que son impensables en los métodos de prueba con tubos.

 

Convirtiendo el ADN en compuertas lógicas

La idea de realizar computación con ADN no es muy nueva. Unas moléculas capaces de empacar datos son, en varios sentidos, perfectas para la tarea. En 1994 se realizó una demostración pública de su potencial: Leonard Adleman, de la Universidad de Southern California, mostró que el ADN puede solucionar el famoso "problema del viajante". Y ahora Nadrian C. Seeman y sus colegas de la Universidad de New York han encontrado una manera nueva y simple de unir tiras de ADN para simular compuertas lógicas O exclusivas.

Las compuertas lógicas binarias, que convierten los unos y ceros de la entrada en unos y ceros a su salida, componen las unidades centrales de proceso de las computadoras digitales. Cualquier cálculo complejo se puede dividir en una serie de pasos pequeños y solucionarse a través de compuertas lógicas. En el caso de una compuerta XOR (O exclusiva), la regla es simple: cuando entran los mismos dígitos a las dos entradas de la compuerta, aparece un cero a la salida; dos dígitos diferentes en la entrada producen un uno. En este trabajo reciente de computación por ADN, las entradas se reemplazan por moléculas en una sola hilera que determinan la operación porque se envuelven una sobre la otra y los pares de bases se conectan. En esencia, la que defina el problema es la colección de moléculas de entrada que se utiliza; una vez que se unen las entradas, la molécula de salida se auto-construye en un solo paso y surge como respuesta. El equipo de Seeman estima que el error puede llegar a ser de apenas un 2 a 5 por ciento.

Este tipo de calculadora de tubo de prueba no está destinada a reemplazar a las computadoras personales en poco tiempo, si es que alguna vez lo llega a hacer. Pero los autores sugieren que se aplicarían a algunos usos especiales. Dos conjuntos de moléculas, al unirse, podrían revelar una clave para desencriptar mensajes secretos. El hecho de que las moléculas sólo se pueden juntar una vez aporta una seguridad adicional. Además, dijeron los autores de este estudio, se podría programar el ADN para que ciertos materiales inteligentes puedan llegar a construirse a sí mismos.

Más información:
http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000D9BD2-C81B-1C5A-B882809EC588ED9F
http://www.sciam.com/article.cfm?chanID=sa003&articleID=000A4F2E-781B-1E5A-A98A809EC5880105
http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=00040E05-8CB7-1C61-B882809EC588ED9F

(Traducido, ampliado y adaptado por Eduardo J. Carletti de Scientific American.)


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