Un ordenador bioquímico

“En la industria informática se quieren fabricar ordenadores cada vez mejores. Nosotros nos esforzamos por hacer lo mismo”. Lulu Quian, investigador en Caltech, lleva varios años trabajando en un área desconocida para muchos. Los circuitos bioquímicos. “Queremos hacer circuitos bioquímicos cada vez mejores, que puedan realizar tareas cada vez más sofisticadas, haciendo actuar a los dispositivos moleculares en su entorno”. Este tipo de circuitos, compuestos por “piezas” de ADN análogamente a los transistores electrónicos de un chip informático, prometen revolucionar el mundo de la medicina y la computación en las próximas décadas.

En cierto modo, la vida es como un ordenador. El genoma de un organismo es el software que le dice a la maquinaria celular y molecular (el hardware) lo que debe hacer. Pero, en vez de circuitos eléctricos, la vida depende de circuitos bioquímicos, redes complejas de reacciones y caminos que permiten el funcionamiento de los organismos. La creación de estos circuitos permite a los investigadores explorar los principios del procesamiento de información en sistemas biológicos y diseñar caminos bioquímicos con capacidad de tomar decisiones. Dichos circuitos darían a los bioquímicos un control sin precedentes a la hora de diseñar reacciones químicas con aplicaciones en los campos de la ingeniería e industrias biológicas y químicas. Por ejemplo, en el futuro, un circuito bioquímico sintético podría introducirse en una muestra de sangre clínica, detectar los niveles de diferentes moléculas en la muestra e integrar esa información en el diagnóstico de la patología.

“Estamos intentando tomar prestadas las ideas que han tenido tanto éxito en el mundo de la electrónica, como las representaciones abstractas de las operaciones computacionales, lenguajes de programación y compiladores y aplicarlos al mundo biomolecular”, comenta Lulu Qian, investigador en Caltech y autor principal del articulo publicado en la revista Science. Junto con Erik Winfree, professor de Ciencia Computacional, Computación y Sistemas Neurales y de Bioingeniería de Caltech, Qian usó un nuevo tipo de componente basado en ADN para construir el mayor circuito bioquímico artificial jamás construido. “Los circuitos hechos en laboratorio eran limitados, ya que su funcionamiento era menos fiable y meno predecible cuando se escalaban a grandes tamaños”, explica Qian. El motivo más probables de esta limitación es que este tipo de circuitos necesita varias estructuras moleculares para implementar diferentes funciones, haciendo que sistemas más largos sean más complicados y difíciles de depurar. El nuevo enfoque de los investigadores, sin embargo, incluye componentes simples, estandarizados, fiables y escalables, lo que hace que sea posible construir circuitos de mayor tamaño y más complejos y que éstos sigan funcionando de manera fiable.

Para construir sus circuitos, los investigadores utilizaron piezas de ADN para hacer las llamadas puertas lógicas, dispositivos que producen señales on-off. Las puertas lógicas son los componentes de los circuitos que permiten al ordenador realizar las acciones correctas en el momento correcto. En un ordenador convencional, las puertas lógicas están hechas con transistores electrónicos, conectados entre sí para formar circuitos en un chip de silicio. Sin embargo, los circuitos bioquímicos consisten en moléculas flotando en un tubo de ensayo de agua salina. En lugar de depender de electrones que fluyen dentro o fuera de los transistores, las puertas lógicas basadas en ADN reciben y producen moléculas como señales. Las señales moleculares viajan de una determinada puerta hacia otra, conectando el circuito como si fueran cables.

Winfree y sus colegas construyeron este circuito bioquímico por primera vez en 2006. En este trabajo, las moléculas señal conectaban varias puertas lógicas de ADN con otras, formando lo que se llama un circuito multicapa. Pero este primer circuito solo consistía en 12 moléculas de ADN distintas y el circuito se ralentizaba en algunos órdenes de magnitud cuando se expandía de una única puerta lógica a un circuito de 5 capas. En su nuevo diseño, Qian y Winfree han creado puertas lógicas más sencillas y fiables, permitiéndoles hacer circuitos hasta cinco veces mayores. Estas nuevas puertas lógicas están hechas de piezas de ADN, ya sean piezas de cadena simple o parcialmente de cadena doble, en el que las cadenas simples sobresalen como colas de la doble hélice. Las moléculas de ADN de cadena simple actúan como señales de entrada y salida que interactúan con las moléculas de cadena doble.

“Las moléculas se encuentran flotando en la solución, chocando entre ellas de vez en cuando”, explica Winfree. “Ocasionalmente, un cadena entrante con la secuencia correcta de ADN se unirá a otra cadena mientras que, simultáneamente, se separará de otra, liberándola en la solución y permitiéndole reaccionar con otra cadena”. Dado que los investigadores pueden codificar la cadena de ADN que desean, tendrán un control total de este proceso, “Disponemos de estas interacciones programables”, afirma.

Qian y Winfree realizaron diversos circuitos, pero el de mayor tamaño, con 74 moléculas distintas de ADN, puede computar la raíz cuadrada de cualquier número hasta 15 (técnicamente hablando, cualquier número binario de cuatro bits) y redondear a la baja al número entero más cercano. Los investigadores hacen entonces un seguimiento de las concentraciones de las moléculas de salida durante los cálculos para determinar la respuesta. El cálculo tarda unas 10 horas, así que no reemplazará su ordenador de aquí a poco tiempo. Pero el propósito de estos circuitos no es el de competir con la electrónica, sino dar a los científicos el control lógico sobre procesos bioquímicos.

La principal novedad en los circuitos de Quian es que son capaces de reducir el ruido del entorno. Dado que las reacciones nunca son perfectas (las moléculas no siempre se unen correctamente, de hecho) existe un ruido inherente al sistema. Esto significa que las señales moleculares no siempre son on u off, como serían en el caso de lógica binaria ideal. Pero las nuevas puertas lógicas pueden reducir este ruido eliminando o amplificando la señal. Por ejemplo, aumentando una señal que está al 80% o inhibiendo una que está al 10%, resultando en señales que están cercanas al 100% o que son inexistentes.

Todas las puertas lógicas tienen idénticas estructuras con diferentes secuencias. Como resultado, pueden estandarizarse, de modo que los mimos tipos de componentes pueden conectarse para crear cualquier circuito que se desee. Lo que es más, según Quian, no se necesita saber nada sobre la maquinaria molecular detrás del circuito para hacer uno. Si quieres un circuito que, por ejemplo, diagnostique automáticamente una enfermedad, puedes simplemente enviar una representación abstracta de las funciones lógicas de tu diseño a un compilador que los investigadores ponen a tu disposición online, que traducirá entonces el diseño en los componentes de ADN necesarios para construir el circuito. En el futuro, un fabricante externo podrá fabricar estas partes y entregar el circuito, listo para usarse

“Así como la ley de Moore para la electrónica del silicio establece que la potencia de los ordenadores tiene un crecimiento exponencial, al mismo tiempo que su tamaño disminuye, los sistemas moleculares con ADN han ido doblando su tamaño cada tres años”, afirma Winfree. Qian añade que su “sueño es conseguir circuitos bioquímicos sintéticos que realicen acciones tan complejas como la vida misma”.

ARTÍCULO ORIGINAL EN Science Daily

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