“Bringing DNA computers to life”

Presentado el 18 de mayo del 2006
para cierto curso Universitario.

Cuando Alan Turing habló de computadores, no se refirió a otra cosa que no fueran seres humanos. El concepto puro que Turing tenía de una máquina no tenía alambres, transistores o compuertas lógicas. Siempre lo imaginó como una persona con un papel de largo infinito, un lápiz y un libro de instrucciones simples.

Por ejemplo, los organismos vivientes también llevan a cabo procesos físicos complejos bajo la dirección de información digital. Reacciones biomecánicas y últimamente la operación entera de un organismo, están sujetas a instrucciones almacenadas en su genoma, codificadas en secuencias de ácidos nucleicos.
Cuando el trabajo de las máquinas biomoleculares dentro de las células que procesan ADN y ARN son comparadas con la máquina de Turing, similitudes inmensas emergen: ambos sistemas procesan información almacenada en una tira de símbolos tomados de un alfabeto, y ambos operan moviéndose paso a paso a través de esas tiras, modificando y sumando símbolos de acuerdo a un conjunto de reglas. Este paralelismo ha inspirado la idea de que las moléculas biológicas pueden un día ser la materia prima de una nueva especie de computadores. Pero las moléculas tienen una habilidad única: hablan el lenguaje de las células vivas. La promesa de computadores hechos de moléculas biológicas se basa en su potencial para operar entre un ambiente biomolecular, aún dentro de un organismo vivo, e interactuar con el ambiente mediante entradas y salidas en la forma de otras moléculas biológicas.
En los pasados 7 años, se ha estado trabajando para hacer realidad este sueño. Se ha alcanzado el crear un autómata biológico hecho de ADN y proteínas capaz de diagnosticar en un tubo de ensayo la sinopsis molecular de ciertos canceres y tratar la enfermedad liberando moléculas terapéuticas.

La primera demostración del mundo real del poder de las moléculas computacionales fue en 1994 cuando Leonard M. Adleman de la Universidad de Calorina del Norte usó el DNA para resolver el ciclo Hamiltoriano.
Más adelante Beneson tuvo la idea de usar una molécula de ADN para representar la tira de entrada., otras cuatro moléculas de ADN más pequeñas para representar las reglas de transición del autómata y dos enzimas manipulables de ADN como el hardware. El mayor problema en su diseño era saber cómo representar los cambiantes estados intermedios, que consistían en estados internos del autómata y un apuntador al símbolo que en ese momento estaba siendo procesado de la tira de entrada. Una vez la entrada, las moléculas de software y hardware eran ubicadas en un buffer apropiado de solución en un tubo de ensayo, se comenzaba a computar y se procedía a completar sin intervención humana.
Sólo dos estadios eran suficientes: si o no. El autómata comenzaría el cómputo en el estado de si y chequearía una condición a la vez. Si una condición en su lista estaba presente, el estado de si se mantendría, pero si no estaba, el autómata cambiaba su estado a un no y se quedaría así para el resto del proceso a computar.
Una vez de que se tuvo tanto un mecanismo de entrada que podía censar síntomas de enfermedad, y un aparato lógico que realizaba el diagnóstico, la siguiente pregunta era: ¿qué debe de hacer una computadora luego de que una enfermedad era diagnosticada? Primero se consideró el reportar una señal de diagnóstico visible. En el mundo molecular, sin embargo, producir una señal y tomar el siguiente paso lógico de administrar un medicamento no están del todo lejos. Binyamin Gil propuso entonces un mecanismo que le permitía al computador liberar una molécula de ese tipo dando resultados positivos.

Así, se crearon dos tipos de moléculas computacionales: una designada a liberar un medicamento cuando el cómputo terminaba en estado de sí, y por otro lado liberar un supresor del mismo medicamento cuando el cómputo termina en estado de no. Cambiando las respectivas concentraciones de estos dos tipos de moléculas, se puede tener buen control sobre la certeza del diagnóstico que tendrá acabo la administración del medicamento.

Sin embargo este estudio no sugiere que las moléculas reemplazarán a las máquinas para todas las tareas computacionales. Las dos especies tienen sus diversas fortalezas y bien pueden coexistir. El hecho de que las biomoléculas pueden tener acceso directo a los datos codificados en otras biomoléculas, son compatibles con sistemas vivos de la forma en que los computadores electrónicos jamás podrán.De igual forma, se cree que estos experimentos sugieren que estas nuevas especies de computadores son de fundamental importancia y utilidad en una gran variedad de aplicaciones. El computador biomolecular se ha creado.