Se supone que el ADN nos va a rescatar de la rutina informática. Ante el agotamiento de los avances en el uso del silicio, los ordenadores basados en el ADN prometen arquitecturas de computación paralela masiva que hoy son imposibles.

Pero hay un problema: los circuitos moleculares construidos hasta ahora no tienen ninguna flexibilidad. En la actualidad, utilizar el ADN para computar es «como tener que construir un nuevo ordenador con un nuevo hardware sólo para ejecutar una nueva pieza de software», afirma el informático David Doty. Así que Doty, profesor de la Universidad de California en Davis, y sus colegas se propusieron ver lo que se necesitaría para implementar un ordenador de ADN que fuera realmente reprogramable.

Como se detalla en un artículo publicado esta semana en Nature, Doty y sus colegas de Caltech y la Universidad de Maynooth demostraron precisamente eso. Demostraron que es posible utilizar un simple activador para obligar al mismo conjunto básico de moléculas de ADN a implementar numerosos algoritmos diferentes. Aunque esta investigación es todavía exploratoria, los algoritmos moleculares reprogramables podrían utilizarse en el futuro para programar robots de ADN, que ya han administrado con éxito fármacos a las células cancerosas.

«Este es uno de los artículos de referencia en este campo», afirma Thorsten-Lars Schmidt, profesor adjunto de biofísica experimental en la Universidad Estatal de Kent que no participó en la investigación. «Ya existía el autoensamblaje algorítmico, pero no con este grado de complejidad».

En los ordenadores electrónicos como el que está utilizando para leer este artículo, los bits son las unidades binarias de información que indican a un ordenador lo que debe hacer. Representan el estado físico discreto del hardware subyacente, normalmente la presencia o ausencia de una corriente eléctrica. Estos bits, o más bien las señales eléctricas que los implementan, pasan a través de circuitos formados por puertas lógicas, que realizan una operación en uno o más bits de entrada y producen un bit como salida.

Al combinar estos simples bloques de construcción una y otra vez, los ordenadores son capaces de ejecutar programas notablemente sofisticados. La idea que subyace a la informática del ADN es sustituir las señales eléctricas por enlaces químicos y el silicio por ácidos nucleicos para crear un software biomolecular. Según Erik Winfree, informático de Caltech y coautor del artículo, los algoritmos moleculares aprovechan la capacidad natural de procesamiento de información del ADN, pero en lugar de dejar que la naturaleza tome las riendas, dice, «la computación controla el proceso de crecimiento».

En los últimos 20 años, varios experimentos han utilizado algoritmos moleculares para hacer cosas como jugar al tres en raya o ensamblar diversas formas. En cada uno de estos casos, las secuencias de ADN tuvieron que ser diseñadas minuciosamente para producir un algoritmo específico que generara la estructura del ADN. La diferencia en este caso es que los investigadores diseñaron un sistema en el que las mismas piezas básicas de ADN pueden ordenarse para producir algoritmos totalmente diferentes y, por lo tanto, productos finales totalmente diferentes.

El proceso comienza con el origami de ADN, una técnica para doblar una pieza larga de ADN en la forma deseada. Este trozo de ADN plegado sirve de «semilla» que pone en marcha la cadena de montaje de algoritmos, de forma similar a como una cuerda sumergida en agua azucarada actúa como semilla cuando se cultivan caramelos de roca. La semilla sigue siendo prácticamente la misma, independientemente del algoritmo, y sólo se realizan cambios en unas pocas secuencias para cada nuevo experimento.

Una vez que los investigadores han creado la semilla, se añade a una solución de otras 100 cadenas de ADN, conocidas como fichas de ADN. Estos mosaicos, cada uno de los cuales se compone de una disposición única de 42 nucleobases (los cuatro compuestos biológicos básicos que forman el ADN), se toman de una colección mayor de 355 mosaicos de ADN creados por los investigadores. Para crear un algoritmo diferente, los investigadores elegirían un conjunto distinto de fichas iniciales. Así, un algoritmo molecular que implemente un paseo aleatorio requiere un grupo diferente de fichas de ADN que un algoritmo utilizado para contar. A medida que estas fichas de ADN se unen durante el proceso de ensamblaje, forman un circuito que implementa el algoritmo molecular elegido en los bits de entrada proporcionados por la semilla.

Usando este sistema, los investigadores crearon 21 algoritmos diferentes que podían realizar tareas como reconocer múltiplos de tres, elegir un líder, generar patrones y contar hasta 63. Todos estos algoritmos se implementaron utilizando diferentes combinaciones de las mismas 355 fichas de ADN.

Escribir código vertiendo fichas de ADN en un tubo de ensayo está muy lejos de la facilidad de escribir en un teclado, por supuesto, pero representa un modelo para futuras iteraciones de ordenadores de ADN flexibles. De hecho, si Doty, Winfree y Woods se salen con la suya, los programadores moleculares del futuro ni siquiera tendrán que pensar en la biomecánica subyacente de sus programas, al igual que los programadores informáticos de hoy en día no necesitan entender la física de los transistores para escribir un buen software.

Este experimento fue ciencia básica en estado puro, una prueba de concepto que generó resultados hermosos, aunque inútiles. Pero según Petr Sulc, profesor adjunto del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona que no participó en la investigación, el desarrollo de algoritmos moleculares reprogramables para el ensamblaje a nanoescala abre la puerta a una amplia gama de aplicaciones potenciales. Sulc sugirió que esta técnica podría ser útil algún día para la creación de fábricas a nanoescala que ensamblen moléculas o robots moleculares para la administración de fármacos. Dijo que también podría contribuir al desarrollo de materiales nanofotónicos que podrían allanar el camino para los ordenadores basados en la luz, en lugar de los electrones.

«Con este tipo de algoritmos moleculares, un día podríamos ser capaces de ensamblar cualquier objeto complejo a nivel de nanoescala utilizando un conjunto general de fichas programables, al igual que las células vivas pueden ensamblarse en una célula ósea o neuronal simplemente seleccionando qué proteínas se expresan», dice Sulc.

Los posibles casos de uso de esta técnica de ensamblaje a nanoescala dejan boquiabierta a la mente, pero estas predicciones también se basan en nuestro conocimiento relativamente limitado del potencial latente en el mundo de la nanoescala. Al fin y al cabo, Alan Turing y los demás progenitores de la informática difícilmente podrían haber predicho Internet, así que quizás también nos esperan algunas aplicaciones igualmente insondables para la informática molecular.

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