La primera computadora programable de ADN


Protocolo experimental e implementación de un algoritmo de clasificación en una computadora de ADN programable

Los cient√≠ficos han estado experimentando durante mucho tiempo con el almacenamiento de informaci√≥n en el ADN y el procesamiento de esta informaci√≥n. Por ejemplo, cient√≠ficos de la Universidad de Washington y Microsoft construyeron recientemente el "primer Winchester de ADN del mundo" ( foto ). Este dise√Īo puede por primera vez proporcionar el registro y la lectura de informaci√≥n en el almacenamiento de ADN sin intervenci√≥n humana. Un logro muy significativo, dado que el ADN puede registrar informaci√≥n con una densidad de 2.2 petabytes por gramo . El ADN es un contenedor compacto con una densidad de grabaci√≥n miles de veces mayor que los portadores existentes.

Sin embargo, todos los sistemas de ADN existentes tienen un problema: todos estos son desarrollos patentados √ļnicos que carecen por completo de flexibilidad. Si lo comparamos con la tecnolog√≠a de silicio, entonces cada grupo de investigadores desarrolla una nueva arquitectura de computadora, para la cual necesita escribir un nuevo software. Pero las cosas pueden cambiar gracias a la primera computadora de ADN programable desarrollada en UC Davis, el Instituto de Tecnolog√≠a de California y la Universidad de Maynooth.

La primera computadora programable de ADN se describe en un artículo científico publicado el 20 de marzo de 2019 en la revista Nature. Los autores demostraron que con la ayuda de un simple desencadenante, el mismo conjunto básico de moléculas de ADN puede implementar muchos algoritmos diferentes. Aunque el estudio es un experimento puramente de laboratorio, los algoritmos moleculares programables en el futuro pueden usarse, por ejemplo, para programar robots de ADN que ya entregan con éxito medicamentos a las células cancerosas .

"Este es uno de los trabajos emblemáticos en esta área", dice Torsten-Lars Schmidt, profesor asistente de biofísica experimental en la Universidad de Kent, que no participó en la investigación. "Solían demostrar el autoensamblaje algorítmico, pero no a ese grado de complejidad".

En las computadoras electr√≥nicas, los bits son unidades binarias de informaci√≥n. Representan el estado f√≠sico discreto del equipo b√°sico, por ejemplo, la presencia o ausencia de una corriente el√©ctrica. Estos bits, o m√°s bien se√Īales el√©ctricas, pasan a trav√©s de circuitos que consisten en elementos l√≥gicos que realizan una operaci√≥n en uno o m√°s bits de entrada y producen un bit como salida.

Combinando estos simples bloques de construcci√≥n una y otra vez, las computadoras pueden ejecutar programas incre√≠blemente complejos. La idea de la computaci√≥n del ADN es reemplazar las se√Īales el√©ctricas con enlaces qu√≠micos y el silicio con √°cidos nucleicos para crear un software biomolecular.


Jerarquía abstracta de la arquitectura e implementación práctica del circuito lógico IBC completo de 6 bits (circuito booleano iterado)

Seg√ļn Eric Winfrey, cient√≠fico del Instituto de Tecnolog√≠a de California y coautor del art√≠culo, los algoritmos moleculares utilizan las posibilidades naturales de procesar informaci√≥n en el ADN, pero en lugar de permitir que la naturaleza tome las riendas en sus propias manos, los c√°lculos en el ADN se realizan de acuerdo con un programa escrito por el hombre.

En los √ļltimos 20 a√Īos, se han llevado a cabo varios experimentos exitosos con algoritmos moleculares, por ejemplo, para jugar al tic-tac-toe o ensamblar mol√©culas de varias formas. En cada caso, se requiri√≥ un desarrollo cuidadoso de la secuencia de ADN para ejecutar un algoritmo espec√≠fico que generar√≠a la estructura del ADN. En este caso, la diferencia es que los investigadores desarrollaron un sistema en el que se pueden ordenar los mismos fragmentos b√°sicos de ADN para crear algoritmos completamente diferentes y, por lo tanto, para obtener resultados completamente diferentes.

El proceso comienza con la t√©cnica de origami de ADN, es decir, doblar una larga cadena de ADN en la forma deseada. Este segmento plegado funciona como una semilla, que ejecuta una l√≠nea de ensamblaje algor√≠tmico. La semilla permanece pr√°cticamente sin cambios, independientemente del algoritmo. Para cada experimento, solo se realizan peque√Īos cambios en varias secuencias.


Reprogramación del circuito lógico.

Despu√©s de crear la "semilla", se agrega a la soluci√≥n con cientos de otras cadenas de ADN, conocidas como mosaicos de ADN. Los cient√≠ficos han desarrollado 355 de estos azulejos. Cada uno tiene una disposici√≥n √ļnica de bases nitrogenadas. En consecuencia, para cada algoritmo, los investigadores simplemente eligen un conjunto diferente de mosaicos iniciales. Dado que estos fragmentos de ADN est√°n conectados durante el proceso de ensamblaje, forman un circuito que implementa el algoritmo molecular seleccionado en los bits de entrada proporcionados por la "semilla".

Usando este sistema, los investigadores desarrollaron y probaron 21 algoritmos para realizar tareas como reconocer una división entre tres, elegir un líder , generar patrones y contar de 0 a 63. Todos estos algoritmos se implementan usando diferentes combinaciones de las mismas 355 fichas de ADN.

Por supuesto, no es fácil escribir código colocando fragmentos de ADN en un tubo de ensayo, pero si el proceso está automatizado, los futuros programadores moleculares ni siquiera tienen que pensar en la biomecánica, ya que los programadores de hoy no necesitan comprender la física de los transistores para escribir buenos programas.

Source: https://habr.com/ru/post/444842/


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