Un sistema informático molecular reprogramable por autoensamblaje

WINFREE LAB/CALTECH

   MADRID, 21 Mar. (EUROPA PRESS) -

   Caltech ha presentado moléculas de ADN aptas para cálculos reprogramables, creando por primera vez autoensamblaje algorítmico, que permite configurar hardware para ejecutar diferentes programas.

   En un artículo publicado en Nature, un equipo encabezado por Erik Winfree, profesor de ciencias de la computación, sistemas neurales y bioingeniería en Caltech, mostró cómo los cálculos de ADN podrían ejecutar algoritmos de seis bits que desarrollan tareas de manera simple.

   El sistema es análogo a una computadora, pero en lugar de utilizar transistores y diodos, utiliza moléculas para representar un número binario de seis bits (por ejemplo, 011001) como entrada, durante el cálculo y como salida. Uno de estos algoritmos determina si el número de bits de 1 en la entrada es impar o par, (el ejemplo anterior sería impar, ya que tiene tres bits de 1); mientras que otro determina si la entrada es un palíndromo; y aún otro genera números aleatorios.

   "Piense en ellas como nanoaplicaciones", dice en un comunicado Damien Woods, profesor de ciencias de la computación en la Universidad de Maynooth cerca de Dublín, Irlanda, y uno de los dos autores principales del estudio. "La capacidad de ejecutar cualquier tipo de programa de software sin tener que cambiar el hardware es lo que permitió que las computadoras se volvieran tan útiles. Estamos implementando esa idea en moléculas, esencialmente incorporando un algoritmo dentro de la química para controlar los procesos químicos".

   El sistema funciona por autoensamblaje: pequeñas cadenas de ADN especialmente diseñadas se unen para construir un circuito lógico mientras ejecutan simultáneamente el algoritmo del circuito. Comenzando con los seis bits originales que representan la entrada, el sistema agrega fila tras fila de moléculas, ejecutando progresivamente el algoritmo.

   Las computadoras electrónicas digitales modernas utilizan la electricidad que fluye a través de los circuitos para manipular la información; Aquí, las filas de cadenas de ADN que se adhieren entre sí realizan el cálculo. El resultado final es un tubo de ensayo lleno de miles de millones de algoritmos completados, cada uno parecido a una bufanda tejida de ADN, que representa una lectura del cálculo.

   El patrón en cada "bufanda" le brinda la solución al algoritmo que estaba ejecutando. El sistema puede ser reprogramado para ejecutar un algoritmo diferente simplemente seleccionando un subconjunto diferente de cadenas de las aproximadamente 700 que constituyen el sistema.

   "Nos sorprendió la versatilidad de los programas que pudimos diseñar, a pesar de estar limitados a entradas de seis bits", dice David Doty, autor principal y profesor asistente de ciencias de la computación en la Universidad de California en Davis. "Cuando comenzamos los experimentos, solo habíamos diseñado tres programas. Pero una vez que comenzamos a usar el sistema, nos dimos cuenta de cuánto potencial tiene. Fue la misma emoción que sentimos la primera vez que programamos una computadora, y nos sentimos intensamente curiosos sobre qué otra cosa podrían hacer estas hebras. Al final, habíamos diseñado y ejecutado un total de 21 circuitos ".

   Los investigadores pudieron demostrar experimentalmente algoritmos moleculares de seis bits para un conjunto diverso de tareas. En matemáticas, sus circuitos probaron entradas para evaluar si eran múltiplos de tres, realizaron verificaciones de igualdad y contaron hasta 63. Otros circuitos dibujaron "imágenes" en las "bufandas" del ADN, como un zigzag, una doble hélice y espacios separados irregularmente.