Un equipo de científicos ha construido una computadora impulsada por ADN que puede realizar cálculos utilizando miles de millones de moléculas en una diminuta gota de agua.
El sistema aprovecha las leyes de física para crear lo que los científicos describen como un sistema de computación más eficiente que los ordenadores convencionales que se utilizan ampliamente hoy en día.
En lugar de usar energía de forma continua para impulsar un cálculo a través de una serie de pasos de procesamiento, la computadora de ADN está diseñada para que su estado más “energéticamente favorable” sea la respuesta correcta. En otras palabras, la computadora está concebida para gastar menos energía que otras computadoras biológicas, que integran células vivas con hardware tradicional, necesitarían para calcular la respuesta.
“La parte ingeniosa es que el proceso de unión es competitivo: las moléculas de ADN compiten entre sí para elegir a una ganadora, que logra unirse al andamiaje; todo el forcejeo y la competencia procesan la información y ejecutan una computación,” Damien Woods, profesor de informática en la Maynooth University en Irlanda y coautor del estudio, dijo a Live Science por correo electrónico. “Finalmente, el sistema se asienta en su estado energeticamente preferido que codifica la respuesta de la computación.”
Los investigadores describieron su sistema, llamado Computadora de ADN con andamiaje (SDC), en un estudio publicado el 16 de septiembre en la revista Nature. Probaron la SDC en 10 programas, incluyendo cálculos de 100 bits. Algunos cálculos, como 10 + 3, tardaron alrededor de 30 segundos para que la SDC los calculase.
Existen varias posibles aplicaciones a largo plazo para la SDC, aunque en este momento son especulativas, señalaron los investigadores en el estudio.
Los sistemas basados en ADN podrían contribuir potencialmente a almacenamiento de datos moleculares, formas de cómputo energéticamente eficientes, o incluso a dispositivos capaces de ejecutarse dentro de células vivas.
“Computadoras moleculares como esta no buscan reemplazar a las electrónicas, pero podrían usarse en entornos biológicos, materiales inteligentes y almacenamiento de datos de ADN para archivo,” Abeer Eshra, profesora asistente de informática y coautora del estudio, dijo a Live Science por correo electrónico. “Nuestro trabajo es una nueva dirección para el almacenamiento de datos en ADN, ya que cualquier dato almacenado en un sistema así tendría propiedades de corrección de errores integradas de forma natural.”
Una computadora hecha de ADN
La SDC está formada por fragmentos cortos de ADN que interactúan con un andamiaje de ADN más largo. Los fragmentos se colocan en una pequeña cantidad de agua salada y luego se calientan y enfrían.
A medida que las hebras de ADN interactúan, se ensamblan en estructuras de acuerdo con un conjunto de reglas programadas que componen la “computación”. Las hebras de ADN actúan como pequeñas piezas de rompecabezas moleculares, cuyas secuencias determinan qué piezas pueden unirse entre sí y a distintas posiciones en el andamiaje más largo. Al diseñar estas reglas de unión, los investigadores efectivamente “programan” un cálculo.
“Cada programa corresponde a un conjunto de hebras de ADN: para programar un cálculo diferente, o dar una entrada distinta, simplemente elegimos diferentes hebras de ADN de la nevera,” Woods y Eshra dijeron a Live Science por correo electrónico.
El enfoque también aprovecha la termodinámica — la tendencia de los sistemas físicos a moverse hacia estados más energéticamente favorables. Cuando la mezcla se calienta y se enfría, las hebras compiten por formar las configuraciones más estables, y la configuración correcta se vuelve energéticamente favorecida. La estructura final codifica la respuesta, permitiendo que las moléculas “computen” simplemente al interactuar entre sí.
Aunque la computadora de ADN en sí es diminuta, el número de hebras involucradas en el proceso de cómputo es enorme.
“Una pequeña gota de líquido contiene miles de millones, y a veces trillones, de hebras de ADN,” dijo Eshra en una declaración. “Estas hebras interactúan entre sí para producir un resultado.”
Una computadora molecular reutilizable
Utilizando la SDC, los investigadores demostraron más de 700 cómputos a lo largo de sus experimentos. Sus programas incluían suma; multiplicación por 3; división entre 2; y detección de paridad de 8 bits, un tipo común de corrección de errores en la computación. Cálculos pequeños podrían completarse en menos de un minuto, lo cual es notable dado que el cómputo debe atravesar reacciones químicas que toman la misma cantidad de tiempo o más.
“Son cálculos triviales que podrías hacer tú mismo más rápido, y una computadora de silicio terminaría en un instante,” Constantine Evans, investigador senior en Maynooth University y coautor del estudio, dijo a Live Science. “Nuestro sistema usa sólo un puñado de moléculas, nunca sigue realmente un proceso organizado de pasos, nunca realiza pasos irreversibles, y aun así termina con la respuesta correcta. Al pensar en la computación a nivel molecular, lograr incluso esos cálculos aparentemente simples es muy difícil.”
Los cálculos de mayor tamaño tardaron considerablemente más. Una suma más difícil en el rango de alrededor de 11 millones a 34 millones tardó hasta 14 horas.
“Demuestra que el sistema es programable, reutilizable y, aunque lento en comparación con el silicio, es rápido comparado con otras computadoras de ADN,” Woods y Eshra escribieron en un correo conjunto a Live Science.
Además de ser rápido, la SDC es reutilizable. Mientras que muchas computadoras moleculares anteriores estaban destinadas a experimentos de un solo uso, la SDC fue diseñada para que las moléculas se pudieran usar de forma repetida.
“Muchas computadoras moleculares hasta la fecha dependían de componentes especialmente preparados, o de combustibles moleculares para impulsar el sistema, o reacciones cuidadosamente sincronizadas,” dijo Eshra. “Nuestra computadora de ADN, en cambio, funciona simplemente juntando las moléculas y dejándolas relajarse hacia el equilibrio.”
Tres de los programas se volvieron a hacer con éxito hasta 24 veces. El equipo incluso repitió un experimento 1,5 años después del original. La SDC se había desecado parcialmente, pero los investigadores pudieron volver a realizar los cálculos añadiendo agua.
Por ahora, sin embargo, el trabajo es principalmente una demostración de que la termodinámica puede usarse para realizar cálculos útiles.
“¡Todavía hay mucha teoría por hacer!” dijo Eshra. Las direcciones futuras más amplias incluyen “diseñar andamiajes que estén mejor adaptados a la computación, mejorar la lectura de salida del sistema, e investigar posibles aplicaciones en almacenamiento de datos de ADN. Ya estamos trabajando en algunas de estas preguntas.”
