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Inteligencia artificial
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COMPUTACIÓN MOLECULARO BASADA EN ADN
COMPUTACIÓN MOLECULARO BASADA EN ADN
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Introducción
En los últimos años se ha sugerido ymostrado que computadores basados eninteracciones a nivel molecular (con ADN ycuánticos) pueden ser una alternativa viablea computadores electrónicos convencionales.
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Existen problemas que requieren una búsquedaintensiva de alternativas para su solución y que noson eficientemente resueltos por los computadoresdigitales.
Los computadores moleculares se muestran másadecuados para la resolución eficiente de dichosproblemas debido a su capacidad de trabajo enparalelo.
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En el computador molecular las operaciones básicasse desarrollan químicamente y no electrónicamente.Brinda la posibilidad de almacenar y manipularaltos volúmenes de información que no pueden hacerlos computadores actuales.
En la computación con ADN, el paralelismo resideen el hecho de que las moléculas de ADN puedenoperar simultáneamente como enzimas y/o pegantespara la resolución de ciertos problemas complejos.
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Biocomputación
Definición. Desarrollo y utilización de sistemascomputacionales basados en modelos y materialesbiológicos (Biochips, biosensores, computaciónbasada en ADN, redes de neuronas, algoritmosgenéticos).
Aplicación de los procesos biológicos y químicos en lacomputación.
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La bioinformática, la computación evolutiva,molecular o basada en ADN, han permitido grandesavances en las ciencias biológicas y en el tratamientode la información. La computación con ADN es elresultado de nuevos paradigmas que contemplannanomáquinas naturales como modelos dealmacenamiento y procesamiento de información. Sepresentan los fundamentos teóricos, metodológicos ylas aplicaciones de esta tecnología en la resolución deproblemas complejos como el Camino Hamiltoniano.
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La Célula una Máquina a imitar
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Nociones básicas de ADN
El ADN es la estructura química que guarda yorganiza en los núcleos de las células lainformación del código genético. Tiene la clásicaforma de una escalera de cuerdas torcidas enespiral, la llamada doble hélice descrita porWatson y Crick en 1953.El ADN está compuesto de subunidades llamadasnucleótidos que están atados juntos en cadenas depolímeros. Las cadenas de polímeros son llamadascadenas de ADN.
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Un cromosoma es una molécula de ADN muy largaque contiene una serie de genes.
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Hay cuatro clases de Nucleótidos en el ADN,distinguidos por el grupo químico, o base, pegadoa éste, son: Adenina, Citosina, Guanina y Timina(A, C, G, T).Las hélices que forman son unidas por "bases",que serán representadas por bloques de colores.Cada base se une solamente a otra base específica.Al ADN le gusta formar largas hélices dobles:
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Los Genes y la Información son partes de lamolécula de ácido desoxirribonucleico (DNA)presente en los cromosomas que codifican lasecuencia de aminoácidos de un polipéptido oproteína.
El DNA lleva información y es capaz deautoreplicarse, en nuevas copias de sí mismo.
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EL ADN un Banco de Información y Procesamiento
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Computación molecular
La computación con ADN, en el sentido literal, es eluso de las moléculas ADN (ÁcidoDesoxiribonucleico), moléculas que codificaninformación genética para todas las cosas vivientes,en computadoras. Esto es logrado en una soluciónsuspendida de ADN, donde ciertas combinaciones demoléculas de ADN son interpretadas como unresultado particulara un problema originalcodificado en moléculas de ADN.
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Esta rama de la computación se inicia el 11 de noviembre de1994, con el trabajo de Leonard M. Adleman, (delLaboratorio de Ciencia Molecular de la Universidad deCalifornia) en el que resuelve el problema de Hamilton.
Se resolvía en un laboratorio de Biología Molecular unproblema matemático complejo utilizando un tubo de ensayocon ADN, y aplicándoles ciertas técnicas (separación,clonación).
Este trabajo supuso un gran avance en las ciencias de lacomputación ya que se demostraba que era posible realizarcómputos a nivel molecular y, además, con una enormecapacidad de paralelismo inherente.
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Por las mismas razones por las que el ADN fueseleccionado para los organismos vivientes comomaterial genético, el ser estable y predecible enreacciones, las cadenas de ADN también pueden serusadas para codificar información para sistemasformales (matemáticos).
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La computación mediante ADN es una tecnología aúnen pañales. Expertos como Lloyd Smith buscancapitalizar la enorme capacidad de almacenamientode información de las moléculas biológicas, las cualespueden efectuar operaciones similares a las de uncomputador a través del uso de enzimas,catalizadores biológicos que actúan como el softwareque ejecuta las operaciones deseadas.
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El Código Genético como Lenguaje
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Cómo funciona este lenguaje: La replicación se efectúa debido alas propiedades de las cuatro bases: ATCG y U para el ARN.
A se une con T y G con C.
Un único filamento de ADN puede copiarse así mismoensamblando un filamento complementario:
Las T frente a todas las A, las A frente a todas las T, las C frentea todas las G y las G frente a todas las C.Por esto la famosa estructura de doble hélice del filamentooriginal y su pareja del ADN que permite replicarseindefinidamente.
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Vs computación tradicional
Un sistema de computo con ADN no seria semejantea un computador convencional, estos representaninformación en términos de 0 y 1, físicamenteexpresado en términos del flujo de electrones porcircuitos lógicos, mientras que los computadores deADN representan información en términos deunidades químicas del ADN.
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La computación en computador es medianteprogramas que instruyen a circuitos eléctricos ensenderos particulares; con un computador de ADNel cómputo requiere la síntesis de sucesionesparticulares de ADN y permite reaccionar en untubo de ensayo.
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Operaciones de una cadena genética
Separación de cadenas considerando su longitud.Mezcla, vertiendo dos tubos de ensayo en unopara realizar la unión.Extracción, tomando aquellas cadenas quecontengan un patrón determinado.Fundir y/o templar, rompiendo o ligando dosmoléculas de ADN con secuenciascomplementarias.Amplificación, usando un compuesto denominadoPCR para hacer copias de cadenas de ADN.
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Corte, separando el ADN con enzimas derestricción.Ligación, enlazando cadenas de ADN con límitescomplementarios "adherentes" usando uncompuesto denominado ligasa.Detección, confirmando la presencia o ausencia deADN en un determinado tubo de ensayo.
Las operaciones mencionadas pueden usarse para"programar" un "computador de ADN".
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Camino HamiltonianoCamino Hamiltoniano
E
BG
FC
A
D
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Este problema es difícil para computadoresconvencionales (lógica serial) porque deben deintentar cada camino posible uno por uno.Es como tener una pila de llaves y tratar de vercual es la que entra en una cerradura.Los computadores convencionales son muybuenos para la aritmética, pero malos paraproblemas de tipo "llave en la cerradura".
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Los computadores basados en ADN pueden tratartodas las llaves al mismo tiempo (masivamente enparalelo) y por lo tanto son muy buenos paraproblemas de llave-en-la-cerradura, pero muchomás lentas para problemas aritméticos simplescomo la multiplicación.El problema del Camino Hamiltoniano fueescogido porque todos los problemas llave-en-la-cerradura pueden ser resueltos como problemasde Camino Hamiltoniano.
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Resolviendo el problema
1. Generar caminos aleatorios a través del grafo.2. Quedarse solo con los caminos que empiezan en laciudad inicio (A) y terminan en la ciudad fin (G).
3. Como el grafo tiene 7 ciudades, quedarse solocon los caminos que tengan 7 ciudades.
4. Quedarse solo con los caminos que entran atodas las ciudades por lo menos una vez.5. Cualquier camino que quede es una solución.
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Resolviendo el problema
La clave para resolver el problema fue usar ADNpara llevar a cabo los cinco pasos del algoritmo:Paso 1: Crear una secuencia de ADN única paracada ciudad (de A hasta G). Para cada camino,por ejemplo, de A a B, crear una pieza de ADNque concuerde con la última mitad de A y laprimera mitad de B:
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Aquí el bloque rojo representa a la ciudad A,mientras que el bloque naranja representa a laciudad B. El bloque mitad rojo mitad naranjaque conecta a los otros dos bloques, representa elcamino de A a B.En un tubo de ensayo, todas las diferentes piezasde ADN se conectarán unas con otras al azar,formando caminos a través del grafo.
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Paso 2: Debido a que es difícil "remover" el ADNde la solución, el ADN que empezaba en A yterminaba en G fue copiado una y otra vez hastaque el tubo de ensayo contuviera mucho de éseADN relativo a las otras secuencias aleatorias.Esto es esencialmente lo mismo que removertodas las otras piezas. Imagine un cajón quecontenga bolas que inicialmente contiene una odos bolas de colores. Si pone ahí cien bolas negras,es muy probable que cuando saque una del cajóntodo lo que obtenga sean bolas negras.
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Paso 3: Por peso, las secuencias de ADN que tuvieran7 "ciudades" de largo fueron separadas del resto. Untamiz (sieve) fue usado lo cual permite que pasenrápidamente pedazos pequeños de ADN, mientrasque los segmentos más largos son frenados. Elprocedimiento usado en realidad permite aislar laspiezas que son precisamente de 7 ciudades de largo.
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Paso 4: Para asegurar que las secuencias que quedanpasan por todas las ciudades, se usaron piezas"pegajosas" de ADN unidas a magnetos para separarel ADN. Los magnetos se utilizaron para asegurarque el ADN requerido permanezca en el tubo deensayo, mientras que el ADN no requerido seremueve. Primero, los magnetos se quedaban contodo el ADN que pasara por la ciudad A en el tubo deensayo, luego por B, luego C, y D, y asísucesivamente. Al final, el ADN que permanece en eltubo fue aquél que pasa por todas las ciudades.
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Camino HamiltonianoResolviendo el problemaCamino Camino HamiltonianoHamiltonianoResolviendo el problemaResolviendo el problema
Paso 5: Todo lo que falta es secuenciar elADN, revelando el camino de A a B a C a D a Ea F a G.
Paso 5: Todo lo que falta es secuenciar elADN, revelando el camino de A a B a C a D a Ea F a G.
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El procedimiento tomó aproximadamente una semana enterminar. Aunque este problema particular pudiera serresuelto en un pedazo de papel en menos de una hora, cuandoel número de ciudades aumenta a 70, el problema se vuelvedemasiado complejo incluso para un supercomputador.Mientras que un computador de ADN se tarda mucho másque un computador normal para hacer cada cálculoindividual, puede hacer una cantidad enorme de operacionesal mismo tiempo (masivamente en paralelo). Loscomputadores de ADN también necesitan menos energía yespacio que los computadores normales.
Ventajas
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Es la molécula que almacena más información en lascélulas vivas, y miles de millones de años de evoluciónhan probado y refinado tanto esta maravillosamolécula de información, como las altamenteespecificas enzimas que pueden duplicar lainformación en una molécula de ADN o transmitiresta información a otras moléculas de ADN.
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Cada molécula de ADN es aproximadamenteequivalente a un pequeño chip de silicio. Pero lasmoléculas de ADN son mucho más pequeñas que loschips, usted puede juntar muchas en un espacio muypequeño - aproximadamente 10 billón de ellas cabenen una canica.Todas estas moléculas pueden trabajan juntas almismo tiempo, de tal forma que usted puede tenerteóricamente 10 billones de cálculos haciéndose almismo tiempo (o más si su computador tiene untamaño mayor al de una canica).
Ventajas
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Desarrollos
Nadrian Seeman, químico de la universidad de Nueva York,une nanopartículas de oro a bloques de ADN para construirdiminutos circuitos electrónicos, unas diez veces más chicosque los componentes de los chips actuales.
En este camino están también los investigadores de LucentTechnologies, tratando de construir nanomotores que sedediquen a la fabricación a escala molecular decomponentes electrónicos, utilizando bloques de ADN comoconstituyentes esenciales.
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Ingenieros de la NASA trabajan en el diseño decomputadores del tamaño de una molécula de proteína, queservirán para rastrear y reparar daños celulares en elorganismo humano.
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La computación con ADN o la computacióncuántica quizás no sustituyan completamente a lossemiconductores de silicio en los PC, pero seránpotentes tecnologías de la futura supercomputaciónparalela avanzada. No son mejoras sobre modelosanteriores de cómputo sino que aprovechan elparalelismo inherente de los procesos biológicos(ensamblamiento o hibridación del ADN).
Conclusiones
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El avance tecnológico está permitiendo manipular deforma cada vez más precisa la materia a nivelmolecular e incluso atómico.En el siglo XX se han intentado simular procesoscomputacionales presentes en la naturaleza; en elsiglo XXI, los esfuerzos se encaminarán a utilizar lapropia naturaleza para realiza cómputos.Estos estudios nos permitirán también descifrar lasleyes del procesamiento de la información en lanaturaleza.
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Los computadores moleculares se caracterizan por:Un almacenamiento de información de una densidadexcepcional. Un gramo de ADN, que ocupa, en seco,alrededor de un centímetro cúbico, puede almacenaraproximadamente la información de un billón dediscos compactos, y aportan un enorme paralelismo.
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Adleman, Leonard M. 1998. Computación con ADN. Rev.Investigación y ciencia: Octubre. P. 20-28. Barcelona,España Prensa Científica S.A.
Adleman, L.M. Molecular Computation of Solutions toCombinatorial Problems. Science. Vol. 266. 11 November1994. pp. 1021-1024.
Pazos S., J. & Rodríguez A. 2001 Computación noconvencional: Computación molecular y Computacióncuántica.
Bibliografía
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AplicacionesInvestigación en Genética
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El 26 de junio de 2000 tras 10 años de investigación, el genomahumano, considerado el auténtico libro de la vida, fuedescifrado en sus partes esenciales permitiendo obtener:
Mapas genéticos: Indican la posición relativa de los diferentesgenes y la transmisión de caracteres hereditarios.
Mapas físicos: De mayor resolución, muestran la secuencia denucleótidos en la molécula de ADN que constituye elcromosoma. Se obtiene la secuencia de nucleótidos de un gen.
Se realiza mediante la electroforesis en geles de distintosfragmentos de ADN y la ayuda de potentes computadores.
Genoma Humano
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Dado un gráfico con n vértices.Genere un conjunto de caminos aleatorios que atraviesen elgrafo.Para cada camino del conjunto:
- Compruébese si el camino parte del vértice inicial y acaba enel vértice final. Si no es así, elimínese el camino del conjunto.
- Compruébese si el camino visita exactamente n vértices. Sino es así, elimínese el camino del conjunto.
- Para cada vértice, compruébese si ese camino pasa por elvértice. De no ser así, elimínese el camino del conjunto.Si el conjunto no es vacío, se informa que existe un caminohamiltoniano. Si el conjunto es vacío, se informa que noexiste camino hamiltoniano.
Proceso
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Aplicación:Definiendo cuatro Ciudades:Tunja, Bogota, Medellín y Cali, conectadas
por seis vuelos.
El problema consiste en determinarla existencia de un caminohamiltoniano que parta de Tunjay concluya en Cali.
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Solución por computos con ADN
Se asigna a cada ciudad una secuencia de ADN.Ejemplo: Tunja es igual a ACTTGCAGLa primera mitad de la secuencia de ADN es elnombre de la ciudad, y la segunda, la replica de esteADN, así el ADN complementario para Tunja esTGAACGTC.
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CIUDAD NOMBRE EN ADN COMPLEMENTOTUNJA ACTTGCAG TGAACGTCBOGOTA TCGGACTG TGCCTGACMEDELLIN GGCTATGT CCGATACACALI CCGAGCAA GGCTCGTT
VUELO NUMERO DE VUELO EN ADNTUNJA-BOGOTA GCAGTCGGTUNJA- CALI GCAGCCGABOGOTA- MEDELLIN ACTGGGTCTBOGOTA- CALI ACTGCCGABOGOTA- TUNJA ACTGACTTMEDELLIN- CALI ATGTCCGA
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Se codifican y sintetizan los nombrescomplementarios en ADN de las ciudades y los delos números de vuelo; se realiza una preparaciónbioquimica (unas 10 moléculas) de cada una de lasdistintas secuencias en un tubo de ensayo, querecrea una célula.
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Utilizando moléculas de sondeo se localizan hebras de ADNque codifiquen caminos que pasen por ciudades como Bogotay Medellin. Así el nombre en ADN de Bogota AGCCTGACen suspensión dentro del liquido. La afinidad Watson &Crick, captura hebras de ADN complementario de BogotaTCGGACTG. Se eliminan las hebras de ADN que nocontengan el nombre de Bogota. El proceso se repite para lasmoléculas en ADN de Medellin. Una vez realizados los mismospasos computacionales, las hebras restantes serán los quecodifiquen la solución.
GCAGTCGGACTGGGCTATGTCCGA.
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La reacción bioquímica equivale a un enorme procesamientoen paralelo, que permite un camino hamiltoniano solución:
Tunja, Bogota, Medellin y Cali
Por tanto, la molécula que codifique la solución tendrá lasecuencia
GCAGTCGGACTGGGCTATGTCCGA
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