Los científicos han construido una computadora basada en ADN que puede realizar cálculos utilizando miles de millones de moléculas en una minúscula gota de agua. El sistema aprovecha las leyes de la física para crear lo que los científicos describen como un sistema informático más eficiente que los ordenadores convencionales que se utilizan ampliamente en la actualidad.
En lugar de consumir energía continuamente para realizar un cálculo mediante 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 construida para consumir menos energía que otras computadoras biológicas, que integran células vivas con hardware tradicional, para calcular la respuesta.
“Lo ingenioso es que el proceso de unión es competitivo: las moléculas de ADN compiten entre sí para seleccionar una ganadora, que logra unirse a la estructura base; todo este proceso de interacción y competencia procesa información y ejecuta un cálculo”, explicó Damien Woods, profesor de informática en la Universidad de Maynooth (Irlanda) y coautor del estudio, a Live Science en un correo electrónico. “Finalmente, el sistema se estabiliza en su estado energéticamente óptimo, que codifica la respuesta al cálculo”.
Los investigadores describieron su sistema, denominado Computadora de Andamiaje de ADN (SDC, por sus siglas en inglés), en un estudio publicado el 16 de septiembre en la revista Nature. Probaron la SDC con 10 programas, incluyendo cálculos de 100 bits. Algunos cálculos, como 10 + 3, tardaron alrededor de 30 segundos en ser realizados por la SDC.
Existen varias posibles aplicaciones a largo plazo para el SDC, pero actualmente son especulativas, señalaron los investigadores en el estudio. Los sistemas basados en ADN podrían contribuir potencialmente al almacenamiento de datos moleculares, a formas de computación energéticamente eficientes o incluso a dispositivos capaces de funcionar dentro de células vivas.
“Las computadoras moleculares como esta no pretenden reemplazar a las electrónicas, pero podrían utilizarse en entornos biológicos, materiales inteligentes y para el almacenamiento de datos de ADN”, explicó Abeer Eshra, profesora adjunta de informática y coautora del estudio, a Live Science por correo electrónico. “Nuestro trabajo representa una nueva dirección para el almacenamiento de datos de ADN, ya que cualquier dato almacenado en un sistema de este tipo tendría propiedades de corrección de errores inherentes”.
Una computadora hecha de ADN
El SDC está compuesto por cadenas cortas de ADN que interactúan con una estructura de ADN más larga. Las cadenas 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 según un conjunto de reglas programadas que conforman el “computamiento”. Las hebras de ADN actúan como diminutas piezas de un rompecabezas molecular, cuyas secuencias determinan qué piezas pueden unirse entre sí y a diferentes posiciones en la estructura más larga. Al diseñar estas reglas de unión, los investigadores “programan” un cálculo.
“Cada programa corresponde a un conjunto de hebras de ADN: para programar un cálculo diferente o proporcionar una entrada diferente, simplemente seleccionamos diferentes hebras de ADN del refrigerador”, explicaron Woods y Eshra a Live Science en un correo electrónico.
Este método también aprovecha la termodinámica: la tendencia de los sistemas físicos a alcanzar estados energéticamente más favorables. Al calentar y enfriar la mezcla, las cadenas compiten por formar las configuraciones más estables, y la configuración correcta se vuelve energéticamente favorable. La estructura final codifica la respuesta, permitiendo que las moléculas “calculen” simplemente interactuando entre sí. Si bien la propia computadora de ADN es minúscula, la cantidad de hebras involucradas en el proceso de computación es enorme.
“Una pequeña gota de líquido contiene miles de millones, y a veces billones, de hebras de ADN”, dijo Eshra en un comunicado. “Estas hebras interactúan entre sí para producir un resultado”.
Una computadora molecular reutilizable
Utilizando el SDC, los investigadores demostraron más de 700 cálculos en sus experimentos. Sus programas incluían suma, multiplicación por 3, división por 2 y detección de paridad de ocho bits, un tipo común de corrección de errores en computación. Los cálculos pequeños se completaban en menos de un minuto, lo cual es sorprendente si se tiene en cuenta que el proceso implica reacciones químicas que requieren el mismo tiempo o incluso más.
“Son cálculos triviales que uno mismo podría realizar mucho más rápido, y un ordenador de silicio los terminaría en un instante”, declaró a Live Science Constantine Evans, investigador principal de la Universidad de Maynooth y coautor del estudio. “Nuestro sistema utiliza solo unas pocas moléculas, sin seguir un proceso organizado de pasos, sin realizar pasos irreversibles, y aun así obtiene la respuesta correcta. Al pensar en la computación a nivel molecular, realizar de forma fiable incluso esos cálculos aparentemente sencillos es muy difícil”.
Los cálculos de mayor envergadura requerían mucho más tiempo. Un cálculo más complejo, del orden de 11 millones a 34 millones, podía tardar hasta 14 horas.
“Esto demuestra que el sistema es programable, reutilizable y, aunque lento en comparación con el silicio, es rápido en comparación con otras computadoras de ADN”, escribieron Woods y Eshra en un correo electrónico conjunto a Live Science.
Además de ser rápido, el SDC es reutilizable. Mientras que muchos ordenadores moleculares anteriores estaban pensados para experimentos de un solo uso, el SDC se diseñó para que las moléculas pudieran utilizarse repetidamente.
“Muchas computadoras moleculares hasta la fecha dependían de componentes especialmente preparados, o combustibles moleculares para impulsar el sistema, o de reacciones cuidadosamente programadas”, dijo Eshra. “Nuestra computadora de ADN, en cambio, funciona juntando las moléculas y dejando que se estabilicen hasta alcanzar el equilibrio”.
Tres de los programas se repitieron con éxito hasta 24 veces. El equipo incluso repitió un experimento 1,5 años después del original. El SDC se había secado parcialmente, pero los investigadores pudieron volver a ejecutar los cálculos añadiendo agua.
Por ahora, sin embargo, este trabajo consiste principalmente en demostrar que la termodinámica puede utilizarse para realizar cálculos útiles.
“¡Aún queda mucha teoría por desarrollar!”, afirmó Eshra. Entre las líneas de investigación futuras más amplias se incluyen “el diseño de estructuras más adecuadas para la computación, la mejora de la lectura del sistema y la investigación de posibles aplicaciones en el almacenamiento de datos de ADN. Ya estamos trabajando en algunas de estas cuestiones”.
Fuente: Live Science.