Electrónica y ADN, ¿cómo están relacionados?
Electrónica y ADN, ¿cómo están relacionados?
El ADN es el material base de un organismo viviente, el cual contiene una basta cantidad de información codificada utilizando cuatro tipos de moléculas, adenine (A), guanine (G), thymine (T) y cytosine (C), organizadas en millones de pares que forman una doble hélice; el orden en que estas bases están dispuestas, determina la codificación de la información del individuo. El ADN a su vez se reúne en cúmulos y forman cromosomas que se encuentran en el núcleo de las células.
La electrónica, en términos generales es una rama de la física aplicada, el pilar fundamental de la tecnología y sus aplicaciones, su forma primaria tiene que ver con la emisión, flujo y control de electrones en la materia. Así como el ADN transita en el interior de las células, los electrones requieren productos base para su control y conducción. Las propiedades eléctricas del silicio han hecho de él, la materia prima más importante para el desarrollo de elementos y circuitos electrónicos que hoy en día la mayoría de personas llevan a la mano.
Ahora, ¿cómo es que estas dos áreas pueden relacionarse? Este artículo presenta algunas ideas sobre la utilización de conceptos electrónicos en bioingeniería de ADN y cómo el ADN y su biología influye en aplicaciones de sistemas electrónicos.
El estudio del ADN es relativamente reciente, en 1994 Leonard Adleman expuso de manera teórica, que el ADN podría tener aplicaciones técnicas computacionales. Con esto, puso en marcha un experimento, en el cual enfrentó a varias cadenas de genoma con el problema del agente viajero, un dilema muy conocido en la comunidad informática; en el cual obtuvo más de respuestas en un par de horas.
Para empezar, el ADN almacena grandes cantidades de información correspondiente a cada diferente individuo, del mismo modo, recientes investigaciones han llegado a conclusión, de que puede ser posible almacenar todos los datos mundiales en una habitación, utilizando las cadenas de ADN como almacenamiento digital.
En lo que respecta al conocimiento tradicional de electrónica, existe el tema de circuitos digitales, estos consisten en la aplicación del álgebra Booleana en distintas compuertas lógicas, AND, OR y NOT, las mismas que permiten diseñar cualquier circuito para cierta función, por ejemplo, una calculadora. Las cadenas de ADN por su parte, también permiten configurarse para ejecutar distintas operaciones lógicas, se puede controlar sus interacciones al modificar sus secuencias de moléculas o nucleótidos. La técnica que permite llevar a cabo la elaboración de chips de ADN o de circuitos lógicos, es el DSD (DNA Strand Displacement) o las reacciones de desplazamiento de cadenas de ADN. Permite programar las cadenas como un lenguaje de programación y simular dispositivos de procesamiento (ej. Visual DSD). Este hito ha llevado, además, al desarrollo de la nanotecnología. La empresa estadounidense pionera en el avance de esta tecnología es Affymetrix.
Los sistemas electrónicos están basados en transistores con elementos electrónicos en placas de silicio. Se constituyen por una entrada de información, un elemento procesador y una salida o actuador.
En el circuito de ADN, su entrada no requiere de señales de voltaje o corriente como en los circuitos electrónicos, el primero en cambio y dependiendo de la técnica que se use, se vale de una concentración de cadenas de ADN como señal, modificándolas con diversas reacciones químicas. Una cadena del genoma formada por sus cuatro tipos enzimas descritas anteriormente se traduciría matemáticamente el tener cuatro letras para codificar información, recordando que las computadoras existentes necesitan sólo dos, 1 y 0. Un caso de circuito análogo de ADN, podría dar paso a valores extendidos, como mediciones fisiológicas o constantes vitales de una persona.
Actualmente el ADN es un material ideal para la ejecución de operaciones computacionales. Es así como surge la computación molecular. Es una realidad, no como una competencia de la computación actual, esta contribuye a diversos ámbitos de la medicina con la estructura de ADN como procesador o unidad de procesamiento. Estos tendrían una velocidad menor a la de los computadores basados en silicio, pero la capacidad de miniaturización supera por mucho a la electrónica convencional.
Investigaciones
Affymetrix ciertamente ha lanzado varios prototipos de microprocesadores basados en ADN. Son probados por la academia y empresas farmacéuticas. Algunos serían capaces de detectar mutaciones propensas al cáncer en los genes.
La Universidad Duke en Durham elaboró hebras de ADN sintéticas, las cuales mezclaron en un tubo de ensayo en cantidades específicas para generar un circuito analógico que, al editar sus enlaces (desintregrándolos o volviéndolos a integrar) fue capaz de realizar operaciones básicas como suma, resta y multiplicación.
Un chip de ADN o también conocido como ADN array podría adaptarse en la industria farmacológica para tratar condiciones patológicas de forma individual, es decir un fármaco adaptado para una persona en particular.
«En el futuro un circuito bioquímico sintético podría introducirse en una muestra de sangre, detectar los niveles de distintas moléculas e integrar la información de cara al diagnóstico de una patología». Investigadores del Caltech
El ADN como conductor
Por otro lado, la ciencia detrás del ADN resulta prometedora para el campo de la electrónica. Específicamente su uso como un elemento conductor ya que es apto de conducir una carga eléctrica. En concreto, el G4-ADN, una molécula derivada del ácido desoxirribonucleico, ha probado ser el compuesto más cualificado para el transporte de la corriente eléctrica.
Un equipo de científicos de la Universidad Estatal de Arizona y la Universidad de Duke realizaron varios experimentos manipulando el ADN, de manera que un flujo de electrones sea conducido a través de él. Resultados como estos, abren las puertas a investigaciones con dirección a nanohilos de ADN. La táctica está en adecuar las secuencias, ya que, por ejemplo, se encontró que cinco bases de guanina (G) llevaban a una mejor conductividad.
Es importante destacar, que los costos de la sintetización de ADN son menores que en años anteriores, lo que representaría menos costos de fabricación en nuevos dispositivos con nanotecnología.
Conlusión
La computación molecular, nanohilos de ADN, circuitos biológicos capaces de computar datos dentro de una célula humana con fines médicos, son terrenos que aún no se exploran completamente. Son tan interesantes e infinitas las posibilidades de aplicación de estas tecnologías emergentes en beneficio de la humanidad. Muchas de los ejemplos presentados en este artículo, se han ejecutado in vitro, la aplicación de chips de ADN para el tratamiento de enfermedades podrá no ser inmediata, pero el trabajo de los científicos e investigadores publicado hasta ahora marca el inicio de una gran meta.
[1] G. I. Livshits, A. Stern, D. Rotem, N. Borovok, G. Eidelshtein, A. Migliore, E. Penzo, S. J. Wind, R. Di Felice, S. S. Skourtis, J. C. Cuevas, L. Gurevich, A. B. Kotlyar, D. Porath: Long-range charge transport in single G-quadruplex DNA molecules. Nature Nanotechnology (2014). DOI:10.1038/nnano.2014.246.
[2] S. Barro Ameneiro y A. Bugarín Diz, Fonteras de la Computación, España, 2002.
[3] X. Busquets y A. Agustí, «Chip genético (ADN array): el futuro ya está aquí,» 2001. [En línea].
[4] V. Moreno y X. Solé, «Uso de chips de ADN (microarrays) en medicina: fundamentos técnicos y procedimientos básicos para el análisis estadístico de resultados,» [En línea].
[5] A. K. Velázquez Sánchez, «Diseño de compuertas lógicas mediante desplazamiento de cadenas de ADN,» 2014. [En línea].
[6] F. Razo Mendivil, «Inferencia lógica utilizando moléculas de ADN y desplazamiento de cadenas,» 2014. [En línea].
[7] NCYT, «Operaciones matemáticas realizadas por circuitos de ADN,» 2016. [En línea]. Available: https://noticiasdelaciencia.com/art/20986/operaciones-matematicas-realizadas-por-circuitos-de-adn.
[8] NCYT Amazings, «ADN para conducir electricidad en dispositivos electrónicos nanométricos,» 2016. [En línea]. Available: https://noticiasdelaciencia.com/art/20084/adn-para-conducir-electricidad-en-dispositivos-electronicos-nanometricos.
