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27 de Marzo de 2019
Computación con ADN

Algoritmos moleculares para ADN reprogramable

Se han elaborado hebras de ADN sintético que se autoensamblan y producen el equivalente molecular de un computador: el resultado de los algoritmos que ejecutan se lee con un microscopio electrónico.

Esta «baldosa» de ADN es una estructura autoensamblada de varias hebras de ADN. Con un conjunto de 355 losetas reprogramables (de una sola hebra, un tipo diferente de baldosa de ADN) se han formado 21 circuitos que simulan autómatas celulares o reconocen palíndromos y múltiplos de 3 [por cortesía de Thomas H. LaBean y Hao Yan - Strong M: Protein Nanomachines. PLoS Biol 2/3/2004: e73].

Un grupo internacional de investigadores de la Universidad de California en Davis, de la Universidad de Maynooth, en Irlanda, y del Instituto de Tecnología de California han realizado unas hebras de ADN que pueden hacer las veces del componente fundamental de un ordenador. Lo describen en Nature y demuestran que las técnicas de la manipulación nanotecnológica están maduras para transferir al ámbito molecular las reglas fundamentales de la informática, hasta ahora desarrolladas y aplicadas en el de la electrónica.

Según esas reglas, el cálculo automático se basa en la codificación mediante unidades de información binarias, o bits, que solo pueden tomar los valores 0 y 1 conforme a que un interruptor eléctrico esté cerrado o abierto. Combinando de manera oportuna diversos interruptores es posible construir las llamadas puertas lógicas, que ofrecen un resultado, una salida, en forma de ceros y unos en respuesta a una entrada, una serie previa de ceros y unos. La combinación de puertas lógicas crea un circuito digital que ejecuta un algoritmo cuando una corriente eléctrica recorre el circuito.

Los estudios de biología molecular muestran que los sistemas químicos pueden también representar y utilizar la información necesaria para dirigir la síntesis de estructuras complejas a partir de unas moléculas básicas.

En el campo de la nanotecnología, una molécula particularmente interesante para la ejecución de algoritmos es el ADN, cuya estructura fundamental es una cadena lineal de unidades básicas llamadas nucleótidos.

Los nucleótidos están formados por un grupo fosfato, azúcar dexosirribosa y una base nitrogenada, de las que solo hay cuatro variedades: adenina, citosina, guanina y timina (indicadas también por las cuatro iniciales, A, C, G y T). En su forma completa, el ADN se conforma como una doble hélice: dos hebras que se acoplan para formar una especie de escalera de caracol cuyos peldaños están formados por la unión de la adenina con la timina y de la citosina con la guanina (químicamente, no están permitidas otras uniones).

En el estudio, los autores han utilizado la técnica de las baldosas de ADN (DNA tiles). Cada baldosa, en este caso, consiste en una sola hebra de ADN sintético, con una longitud de 42 bases, subdividida en cuatro dominios de diez u once bases. Cada dominio representa bien un cero, bien un uno, y cada baldosa contiene dos dominios de entrada y dos de salida (o uno y uno para las baldosas de la frontera del ensamblaje). Por otra parte, las baldosas se ligan entre sí espontáneamente de un modo específico, según las reglas de acoplamiento de las bases de ADN (A-T, C-G), hasta formar una estructura más grande.

Es precisamente ese autoensamblaje el que permite realizar el cálculo: en vez de la electricidad que recorre los circuitos eléctricos del computador, son las hebras de ADN las que se van uniendo de forma que el cálculo avance.

Las entradas de datos con que trabajaron tenían seis bits de longitud, correspondientes a cuatro baldosas (dos de frontera y dos de dos bits de entrada y dos de salida). De cuáles fuesen los bits de salida escogidos para cada bit o par de bits de entrada del total de seis (es decir, de cuál fuese el conjunto de baldosas iniciales que hacían de semilla del creciento espontáneo del ensamblaje para cada entrada de seis bits) dependía el algorimo que se iba a calcular y, por lo tanto, el resultado al final del ensamblaje. Y ese resultado se leía mediante un microscopio de fuerza atómica que mostraba diversos marcadores ligados al ADN.

Como demostración del gran potencial del sistema, los investigadores lograron que en el curso de los experimentos se ejecutaran correctamente 21 algoritmos con fines diversos.

Le Scienze

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Le Scienze.

Referencia: «Diverse and robust molecular algorithms using reprogrammable DNA self-assembly», de   en Nature

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