Investigadores han creado un dispositivo de computación basado en ADN que realiza cálculos a través de miles de millones de moléculas dentro de una sola gota de agua. El sistema se conoce como Scaffolded DNA Computer, o SDC, y se basa en la termodinámica en lugar de la electricidad para ejecutar sus operaciones. En lugar de forzar un cálculo a través de un proceso paso a paso, el diseño permite que las moléculas se asienten naturalmente en su estado de menor energía, lo que luego revela el resultado.
Un estudio publicado el 16 de septiembre en Nature introdujo una nueva clase de computadora, una que se suma a un creciente cuerpo de investigación en el que las células vivas y el hardware estándar trabajan juntos. Este diseño en particular sigue su propio curso. El SDC puede ser programado y reutilizado, aunque funciona más lentamente que el silicio, es más rápido que otras computadoras de ADN.
Cómo funciona el SDC
Un largo armazón de ADN une a las demás hebras más cortas de ADN para formar el SDC. Estas hebras cortas se colocan en una pequeña cantidad de agua salada, luego se calientan y enfrían. Los cambios de temperatura provocan que las hebras se unan en estructuras basadas en reglas programadas. Cada hebra se comporta como una pieza de rompecabezas, con su secuencia decidiendo qué piezas se unen entre sí y a varias posiciones en el armazón.
Según Damien Woods, profesor de ciencias de la computación en la Universidad de Maynooth en Irlanda que coescribió el estudio, la innovación clave es cómo las moléculas de ADN se unen entre sí. En lugar de ser ensambladas en una secuencia fija, compiten entre sí por el derecho a adherirse al armazón. A través de ese forcejeo y competencia, se procesa la información y se ejecuta una computación, finalmente asestándose en un estado energéticamente preferido que codifica el resultado.
Programando la Computadora
El equipo cambia entre cálculos seleccionando hebras de ADN frescas del refrigerador. Cada programa está vinculado a su propio lote de hebras, por lo que cambiar la computación o alterar la entrada significa alcanzar un conjunto diferente desde el almacenamiento en frío.
La termodinámica es fundamental para el método, el cual aprovecha la tendencia de los sistemas físicos a alcanzar estados más estables. A medida que la mezcla se calienta y luego se enfría, las hebras compiten por los arreglos más estables, haciendo que la configuración correcta sea la energéticamente favorable. Una vez que la estructura se forma, codifica la respuesta, permitiendo a las moléculas «calcular» a través de una interacción simple.
Lo que los Investigadores Probaron
El grupo ejecutó el SDC en 10 piezas de software, entre ellas operaciones de 100 bits. Ciertos sumas, como 10 más 3, tomaron aproximadamente 30 segundos. Los totales más complicados requerían mucho más tiempo — una suma más difícil en el vecindario de 11 millones a 34 millones de elementos podría tomar hasta 14 horas.
Sus experimentos abarcaron más de 700 cálculos. Los programas cubrieron la adición, la multiplicación por 3, la división por 2 y la detección de paridad de ocho bits, una forma familiar de corrección de errores en la computación. Los cálculos cortos se completaron en menos de un minuto, un resultado impresionante considerando que las reacciones químicas involucradas llevan el mismo tiempo o más.
Constantine Evans, un investigador senior en la Universidad de Maynooth y coautor del estudio, describió los cálculos como triviales que cualquiera podría completar rápidamente por su cuenta, y señaló que una computadora de silicio terminaría en un instante. Señaló que el sistema que su equipo desarrolló se basa en solo unas pocas moléculas, que nunca siguen una secuencia organizada de pasos y nunca toman decisiones irreversibles, y sin embargo aún así llegan a la respuesta correcta. Explicó que, cuando se trata de computación a escala molecular, incluso esas operaciones aparentemente simples son muy difíciles de llevar a cabo de manera confiable.
Reutilización y Futuras Direcciones
El SDC se puede usar más de una vez. Muchos computadores moleculares anteriores se construyeron para un solo uso, pero este diseño permite que las moléculas se utilicen nuevamente. Los investigadores señalaron que los usos siguen siendo inciertos. Los sistemas basados en ADN podrían ayudar con el almacenamiento de datos a escala molecular, con una computación que requiere poca energía, o incluso con dispositivos que se ejecutan dentro de células vivas.
Abeer Eshra, profesora asistente de ciencias de la computación y coautora del estudio, explicó que las computadoras moleculares no están destinadas a reemplazar a las electrónicas. En cambio, podrían encontrar utilidad en entornos biológicos, materiales inteligentes y almacenamiento de datos de ADN de archivo. Agregó que el trabajo abre una nueva vía para el almacenamiento de datos de ADN, donde cualquier información almacenada en dicho sistema incluye naturalmente su propia corrección de errores.
Comparación de Computadoras de ADN
| Reportaje | SDC | Otras computadoras de ADN |
|---|---|---|
| Entrada de energía | Utiliza la termodinámica para asentarse en el estado de energía más bajo | Requiere entrada de energía continua |
| Reutilización | Diseñado para ser reutilizado | A menudo experimentos de una sola vez |
| Velocidad | Más rápido que otras computadoras de ADN (1) | Más lento que el SDC (2) |
| Programación (3) | Seleccionar diferentes hebras de ADN del refrigerador (4) | Varía según el diseño (5) |
El ritmo del SDC es notable. Se mueve más lentamente que el silicio, pero es más rápido que otras computadoras de ADN. Una pequeña gota de líquido contiene miles de millones, y a veces billones, de hebras de ADN, como señaló Eshra. Las hebras actúan unas sobre otras para producir una respuesta. (6)
Woods y Eshra describieron el sistema como programable y reutilizable, y señalaron que, si bien se mueve a un ritmo más lento que el silicio, aún es más rápido que la mayoría de las otras computadoras de ADN. Explicaron que esta combinación de características —programable, reutilizable y relativamente rápida para la computación molecular— es la razón por la que el SDC destaca. (7)
Se ha construido un modelo funcional para demostrar que la computación puede llevarse a cabo a nivel molecular sin necesidad de energía constante. La respuesta aparece de forma natural a medida que el sistema se estabiliza en su estado de menor energía. El desarrollo adicional depende de si los investigadores pueden hacerlo más grande y probar su fiabilidad mediante un uso repetido. En este momento, la verdadera historia es simplemente que funciona. (8)
Fuente: “Científicos construyen una computadora de ADN que puede realizar cálculos en una gota de agua,” Live Science. (9)
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