Los informáticos de Caltech han diseñado moléculas de ADN que pueden realizar cálculos reprogramables, por primera vez creando el autoensamblaje algorítmico en el que el mismo "hardware" se puede configurar para ejecutar diferentes "programas".
en un artículo publicado en Naturaleza el 20 de febrero, un equipo encabezado por Erik Winfree de Caltech PhD '98, profesor de ciencias de la computación, computación y sistemas neuronales, y bioingeniería, mostró cómo los cálculos de ADN podían ejecutar algoritmos de seis bits que realizan tareas simples.es análogo a una computadora, pero en lugar de usar transistores y diodos, usa moléculas para representar un número binario de seis bits por ejemplo, 011001 como entrada, durante el cálculo y como salida. Uno de estos algoritmos determina si el número de 1-bits en la entrada es impar o par, el ejemplo anterior sería impar, ya que tiene tres 1 bits; mientras que otro determina si la entrada es un palíndromo; y otro genera números aleatorios.
"Piense en ellas como nano aplicaciones", dice Damien Woods, profesor de ciencias de la computación en la Universidad de Maynooth, cerca de Dublín, Irlanda, y uno de los dos autores principales del estudio. "La capacidad de ejecutar cualquier tipo de programa de software sin tener quecambiar el hardware es lo que permitió que las computadoras se volvieran tan útiles. Estamos implementando esa idea en las moléculas, esencialmente incorporando un algoritmo dentro de la química para controlar los procesos químicos ".
El sistema funciona por autoensamblaje: pequeñas cadenas de ADN especialmente diseñadas se unen para construir un circuito lógico mientras se ejecuta simultáneamente el algoritmo del circuito. Comenzando con los seis bits originales que representan la entrada, el sistema agrega fila tras fila de moléculas -- ejecutando progresivamente el algoritmo. Las computadoras electrónicas digitales modernas utilizan la electricidad que fluye a través de los circuitos para manipular la información; aquí, las filas de hebras de ADN que se unen realizan el cálculo. El resultado final es un tubo de ensayo lleno de miles de millones de algoritmos completados, cada uno parecido a unbufanda tejida de ADN, que representa una lectura de la computación. El patrón en cada "bufanda" le da la solución al algoritmo que estaba ejecutando. El sistema puede reprogramarse para ejecutar un algoritmo diferente simplemente seleccionando un subconjunto diferente de hebras delos aproximadamente 700 que constituyen el sistema.
"Nos sorprendió la versatilidad de los programas que pudimos diseñar, a pesar de estar limitados a entradas de seis bits", dice David Doty, otro autor principal y profesor asistente de ciencias de la computación en la Universidad de California, Davis. "CuándoComenzamos los experimentos, solo habíamos diseñado tres programas. Pero una vez que comenzamos a usar el sistema, nos dimos cuenta de cuánto potencial tenía. Fue la misma emoción que sentimos la primera vez que programamos una computadora, y nos sentimos intensamente curiosos acerca de quéde lo contrario, estos hilos podrían funcionar. Al final, habíamos diseñado y ejecutado un total de 21 circuitos ".
Los investigadores pudieron demostrar experimentalmente algoritmos moleculares de seis bits para un conjunto diverso de tareas. En matemáticas, sus circuitos probaron entradas para evaluar si eran múltiplos de tres, realizaron verificaciones de igualdad y contaron hasta 63. Otros circuitos dibujaron "imágenes "en las bufandas" del ADN ", como un zigzag, una doble hélice y diamantes espaciados irregularmente. También se demostraron comportamientos probabilísticos, incluidas caminatas aleatorias, así como un algoritmo inteligente desarrollado originalmente por el pionero informático John von Neumann paraobtener una elección aleatoria justa de 50/50 de una moneda sesgada.
Tanto Woods como Doty eran científicos teóricos de la computación cuando comenzaron esta investigación, por lo que tuvieron que aprender un nuevo conjunto de habilidades de "laboratorio húmedo" que generalmente están más en la caseta de los bioingenieros y biofísicos ". Cuando la ingeniería requiere cruzar disciplinas, hayuna barrera de entrada importante ", dice Winfree." La ingeniería informática superó esta barrera mediante el diseño de máquinas reprogramables a un alto nivel, por lo que los programadores de hoy en día no necesitan conocer la física de los transistores. Nuestro objetivo en este trabajo fue mostrar quesistemas similares pueden programarse a un alto nivel, de modo que en el futuro, los programadores moleculares del mañana puedan liberar su creatividad sin tener que dominar múltiples disciplinas ".
"A diferencia de los experimentos previos en moléculas especialmente diseñadas para ejecutar un solo cálculo, reprogramar nuestro sistema para resolver estos diferentes problemas fue tan simple como elegir diferentes tubos de ensayo para mezclar", dice Woods. "Estábamos programando en el banco de laboratorio".
Aunque las computadoras de ADN tienen el potencial de realizar cálculos más complejos que los presentados en el Naturaleza papel, Winfree advierte que no se debe esperar que comiencen a reemplazar las computadoras estándar de microchip de silicio. Ese no es el objetivo de esta investigación. "Estos son cálculos rudimentarios, pero tienen el poder de enseñarnos más sobre cómo los procesos moleculares simplescomo el autoensamblaje puede codificar información y llevar a cabo algoritmos. La biología es una prueba de que la química está inherentemente basada en la información y puede almacenar información que puede dirigir el comportamiento algorítmico a nivel molecular ", dice.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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