-Introducción:

La bioinformática es la aplicación de tecnología de computadores a la gestión y al análisis de datos biológicos. Podemos decir que la bioinformática comprende tres especialidades:

1) Investigación y desarrollo de los sistemas de comunicación e información que requiere la biología moderna (Redes y bases de datos para el genoma…)

2) Computación que se aplica al entendimiento de cuestiones biológicas básicas (Sistemas de vida artificial, algoritmos genéticos, redes neuronales artificiales…)

3) El desarrollo y utilización de sistemas computacionales basados en modelos y materiales biológicos (Procesadores de ADN…)

Nosotros nos centraremos en el estudio de los procesadores de ADN. Podemos definir un procesador de ADN como una nanocomputadora (nano-ordenador) que usa ADN (ácido desoxirribonucleico) para almacenar información y realizar cálculos complejos.

Como vemos, la tecnología avanza a campos tan insospechados como el que afecta a la esencia de la vida, el ADN.Por tanto, a disciplinas tan íntimamente ligadas con la informática, como la física y las matemáticas, debemos añadir también la química y la biología.

Los ordenadores biomoleculares, hechos de ADN y otras moléculas biológicas, sólo existen en la actualidad en un puñado de laboratorios especializados, y están lejos de ser utilizados para el almacenamiento y gestión de datos común.

El comienzo de todo esto reside en el matemático Leonard Adleman conocido por sus trabajos en criptografía y conocimiento de ordenadores.En 1994, fue capaz de demostrar la capacidad de esta interesante biomolécula de ser una potente herramienta informática. Para ello, construyó el primer ordenador ADN con el fin de resolver un problema matemático que, aunque no era complicado, cualquier ordenador de tecnología actual no lo hubiera abordado en tan poco tiempo.Después, explicaremos detalladamente su experimento.

Una vez descubierto el poder del ADN en el campo de la informática, es necesario profundizar en su investigación ya que sólo ciertos problemas matemáticos pueden resolverse usando ADN.

Por tanto, aunque esta biomolécula no tenga una aplicación universal, muchas de sus aplicaciones pueden resultar muy útiles para nuestra sociedad.

-Estructura del ADN

Antes de relacionar esta importante biomolécula con la informática, será necesario dejar claro que estructura presenta y cuál es su función en los seres vivos. Así después, podremos relacionar la información aquí explicada con términos meramente informáticos.

El ADN es la molécula microscópica que contiene toda la información genética de un organismo vivo y se encuentra en el núcleo de cada una de las células de cada organismo. En 1953, los bioquímicos James Watson y Francis Crick presentaron por primera vez el modelo de la doble hélice del ácido desoxirribonucleico o ADN.

El ADN es una doble hélice formada por dos cadenas de polinucleótidos enrrolladas alrededor de un eje imaginario recordando a una escalera de caracol.

Los escalones de dicha escalera de caracol son pares de bases nitrogenadas unidas mediante puentes de hidrógeno.

Las dos cadenas de ADN que forman la doble hélice son antiparalelas y además, complementarias debido a la complementariedad de bases nitrogenadas. La adenina se une con la timina mediante dos puentes de hidrógeno y la citosina se une con la guanina mediante tres.

Considerando que el ADN humano tiene 2.900.000 pares de bases, el número de combinaciones distintas que se pueden obtener sobrepasan los billones de billones.

Mientras que los ordenadores electrónicos utilizan base 2 en la forma de ceros y unos, los ordenadores de ADN usan base 4 para representar a las 4 bases nitrogenadas (Adenina, timina, guanina y citosina).

Como ya hemos dicho, estas bases nitrogenadas son parte de los bloques básicos de construcción de la vida; usando estas cuatro letras, el ADN almacena la información que es manipulada por los organismos vivos casi exactamente de la misma manera que los ordenadores trabajan a través de cadenas de ceros y unos.

La habilidad del emparejamiento de moléculas de ADN es lo que permite que se usen como modelo de datos abstracto en el laboratorio. Cada porción de datos se puede sintetizar mediante una única serie de ADN.

-Microprocesadores de ADN frente a microprocesadores de silicio

Los microprocesadores de silicio han sido el centro de la informática durante los últimos años y en mejorar sus prestaciones se han basado casi todos los esfuerzos de los fabricantes. Además, se ha dedicado una gran cantidad de dinero para la evolución de los mismos.La mejora de las prestaciones de estos sigue un patrón denominado “ley de Moore”, según la cual, el número de elementos eléctricos que forman un procesador se ve duplicado cada 18 meses; esto nos otorga una pequeña visión de la importancia que tiene la mejora de dichos procesadores. Sin embargo, este progreso no es infinito y dentro de poco se llegará a su fin, debido a las limitaciones que ofrece el silicio para minimizarlo así como la imposibilidad de superar una cierta velocidad física. Sin embargo, esto no es más que el punto de partida para empezar a centrar todos los esfuerzos de desarrollo en un nuevo tipo de microprocesadores, y estos procesadores son los formados con ADN; este tipo de microprocesadores presenta además otra serie de ventajas que los hacen mucho mejores que los de silicio:

Como el ADN es una sustancia biológica presente en todas las células, su suministro es ilimitado; mientras que el suministro de silicio es limitado.

Debido a que el ADN es una sustancia ilimitado, su obtención es mucho más barata que la de silicio.

Los microprocesadores de ADN se pueden hacer sin utilizar sustancias tóxicas mientras que para construir los microprocesadores tradicionales (silicio) se requiere el uso de sustancias tóxicas que a la larga pueden ocasionar enfermedades.

Los ordenadores de ADN son mucho más pequeños que los tradicionales debido a que una pequeña cantidad de ADN tiene la misma capacidad de procesamiento que el microprocesador de silicio más potente.

-Comparación del ordenador de ADN con el ordenador convencional:

A pesar de ser una creación revolucionaria y totalmente novedosa en cuanto a los componentes que integra para su funcionamiento, el ordenador molecular muestra semejanzas con el electrónico en algunos procesos informáticos.

Por ejemplo, en cuanto a la transformación de los datos, tanto los ordenadores biológicos como los electrónicos utilizan la lógica booleana (y, o, no). El comando lógico “i” se lleva a cabo separando hebras de ADN de acuerdo a sus series, y el comando “o” se hace juntando soluciones ADN que contengan series específicas.

Por lo que respecta a la manipulación de los datos, los ordenadores electrónicos y los biológicos almacenan información en cadenas que se manipulan para realizar los procesos. En los ordenadores de ADN, se pueden concentrar grandes cantidades de información en probetas; dicha información se codifica en series de ADN y se almacena; para recuperar los datos, simplemente basta con buscar una pequeña parte de esa información añadiendo una hebra de ADN diseñada de tal manera que su serie coincida con alguna parte de la información que estamos buscando dentro de las probetas.En lo que a computación se refiere, todos los ordenadores manipulan los datos por

adición y sustracción. Un ordenador biológico tiene mayor capacidad para resolver problemas complejos; por ejemplo puede resolver satisfactoriamente un problema con 70 variables y 1.000 conexiones y-o. En el caso del problema hamiltoniano las variables serían las ciudades, y las conexiones serían las posibles rutas a seguir.

-Características de los procesadores de ADN:

La clave de que el ADN sea el elegido para el futuro de los microprocesadores, es que los ordenadores que poseen este tipo de microprocesadores son más pequeños y a la vez presentan mayor capacidad para procesar y almacenar información. 500 gramos de ADN tienen la capacidad para almacenar más información que todos los microprocesadores actuales juntos; así como un ordenador de ADN del tamaño de una gota, utilizando sus puertas lógicas, es más potente que el superordenador más potente. Más de 10 trillones de moléculas de ADN pueden ser introducidas en una región de un centímetro cúbico; y con esta cantidad de moléculas podemos almacenar unos 10 terabytes de información y realizar unos 10 trillones de operaciones juntas. Estos datos no hacen más que demostrarnos el potencial escondido en una biomolécula tan común y conocida como es el ADN; así como nos empujan a intentar conseguir un desarrollo completo de este tipo de microprocesadores.

Los ordenadores de ADN o moleculares, resuelven problemas complejos rápidamente, es decir, pueden analizar un gran número de posibles soluciones de una forma eficiente; por ejemplo, pueden solventar problemas del modelo hamiltoniano (consistente en detectar cuál es el camino más óptimo entre los múltiples existentes) en unas semanas; esto es debido a que si utilizamos un ordenador de ADN, el tiempo para encontrar soluciones aumenta linealmente a medida que incrementamos el número de posibles soluciones; mientras que si utilizásemos un ordenador convencional, el tiempo aumentaría exponencialmente.

Mientras los ordenadores convencionales solo son capaces de realizar operaciones lineales (una operación cada vez); los ordenadores de ADN son capaces de llevar a cabo operaciones en paralelo, realizando varias operaciones a la vez. Este cálculo en paralelo es lo que le permite al ADN resolver problemas matemáticos complejos en horas; mientras que un ordenador convencional tardaría cientos de años en resolverlos. Esta velocidad aparte de al procesamiento en paralelo, se debe también a que las reacciones químicas ocurren muy rápido.

Para llevar a cabo los cálculos, los ordenadores moleculares, que representan la información en términos de las unidades químicas de ADN, requieren sintetizar series específicas de ADN y que estas series reaccionen en una probeta; mientras que los convencionales simplemente realizan los cálculos mediante un programa que maneja la información, reflejándola en el flujo de electrones que fluye a través de los circuitos lógicos.

De las características que rodean al ADN en el medio fisiológico, podemos deducir que el nuevo ordenador deberá presentar un medio interno húmedo y fluido, en el cual debe prestarse atención al valor del PH, a la temperatura y a las concentraciones de sal; ya que cambios en estas condiciones afectan drásticamente al ADN, y por consiguiente, afectarán a la óptima ejecución de los procesos

-Limitaciones de los microprocesadores de ADN:

Su aplicación está limitada a ciertos tipos de problemas, ya que los ordenadores de ADN sólo resuelven problemas combinatorios. Además, estos primeros ordenadores moleculares no están pensados para realizar procesamiento de texto, enviar correos, utilizar juegos o utilizar programas solitarios; y por otra parte, son lentos en ciertos casos, ya que los problemas simples se resuelven más rápidamente en un ordenador electrónico. Sin embargo, su gran potencia computadora podrá ser utilizada por gobiernos para desvelar códigos secretos o por las compañías aéreas para mapear más detalladamente las rutas aéreas y conseguir las rutas más eficientes.

Los ordenadores ADN son mucho más rápidos para los problemas más complejos, pero una tarea sencilla y rápida en un ordenador convencional, puede ser complicada y lenta en un ordenador molecular; por ejemplo, buscar en la memoria de un ordenador de ADN suele ser un proceso lento ya que puede tardar entre 17 minutos y 3 horas en encontrar una secuencia, mientras que buscar en el disco duro de un ordenador supondría 15 milisegundos.

Por otra parte, con respecto al tratamiento de las respuestas complejas, nos encontramos con que puede llevar más tiempo clasificar la respuesta al problema que encontrar la solución, es decir, que puede llevar más tiempo hacer ciertas operaciones, que actualmente están en experimentación, como son la unión, vertido y separación de secuencias ADN.

Por último, hablando sobre fiabilidad habría que decir que esta es muy baja en los ordenadores moleculares, puesto que el ADN cambia de forma natural y aleatoria, se puede deteriorar, y además las manipulaciones de ADN tienen tendencia a producir algunos errores. Por todo ello es el ordenador de ADN puede disolverse conforme pase el tiempo. Sin embargo los ordenadores convencionales presentan muy pocos problemas de fiabilidad, ya los electrones no cambian ni son modificados.

-Aplicaciones:

Hasta el momento, este modelo tan reciente ha encontrado aplicación en los campos de la biología, la química, la medicina, y también en el de la informática, en cuanto a seguridad de la información se refiere; ya que los resultados obtenidos en los sistemas de encriptación han sido realmente satisfactorios.Sin embargo, también puede establecerse una cierta relación con otra línea de investigación reciente, la nanotecnología, que predominó sobre la computación biológica como primera línea de investigación para miniaturización, de cara a la implantación de mecanismos en el cuerpo humano para llevar a cabo determinadas funciones. Por otra parte, la similitud entre las operaciones biológicas y matemáticas, junto con las características del ADN de estabilidad y predecibilidad en las reacciones, proporcionan la base para la codificación de la información en sistemas matemáticos. Por tanto, una vez codificada la información matemática, se podrían resolver problemas combinatorios de complejidad exponencial gracias a la capacidad de los ordenadores de ADN de ser

masivamente paralelos, contemplando así la posibilidad de trabajar con problemas intratables, aquellos en los que el lapso de tiempo para el cálculo crece exponencialmente con el tamaño de tales casos. Ese crecimiento exponencial implica la imposibilidad de resolver ese mismo problema en un tiempo razonable con un ordenador convencional.

Otro campo en el que aún no se ha indagado profundamente sobre una posible aplicación, es el campo de los documentos de texto; no obstante hay algunas técnicas que se han aplicado a este campo, en concreto destinadas a la recuperación de información, y que muestran cierto parecido con la informática de ADN; una de estas técnicas son las redes neuronales, las cuales basan su funcionamiento además de en otros factores, en el paralelismo. Sin embargo, la informática molecular difiere de las redes neuronales en el procedimiento para llevar a cabo las operaciones, y además para que resultase rentable la aplicación de ordenadores de ADN, sería necesario que la operación aumentase exponencialmente el tiempo de resolución. Si tuviésemos un problema de clasificación de documentación, en el cual el volumen de la información aumentara muchísimo, sería interesante aplicar la computación con ADN. Esta misma técnica también podría ser idónea para la recuperación de información, ya que esta operación puede requerir un procedimiento semejante a un problema hamiltoniano.

Teniendo en cuenta la reciente aparición de esta tecnología, sólo podemos limitarnos a hacer conjeturas respecto a las posibles aplicaciones que pueda tener en un futuro y, sobre todo, en lo que afecta a la recuperación de información, campo al que suelen llegar las aportaciones cuando ya han alcanzado cierto grado de madurez en otros ámbitos; además todos los progresos conseguidos en esta tecnología, nos ayudarán a entender mucho mejor el cerebro humano; que puede ser considerado un ordenador.

-Funcionamiento de un procesador en paralelo

Veamos un ejemplo sencillo que refleja las diferencias entre el procesamiento serial y el procesamiento paralelo.Supongamos que tenemos un juego de 100 llaves de las cuales sólo una de ellas es la que posee la combinación correcta que abre la cerradura. Si utilizásemos un procesador en serie, éste tomaría caso por caso combinando individualmente cada posibilidad hasta encontrar las soluciones; en cambio, si utilizamos un procesador en paralelo para el problema, nos encontramos con que tomaría todas las posibilidades de manera conjunta (masiva) por lo que el tiempo de proceso se reduciría considerablemente. Cabe destacar también que a más complejidad del problema sería necesario invertir más tiempo y potencia de cálculo, sin embargo, esta relación de complejidad/tiempo aumentaría de manera exponencial en un procesador en serie y de manera lineal en uno paralelo, con lo cual se ve reflejada la rentabilidad que ofrece el procesamiento en paralelo para este tipo de problemas.

- Experimento de Leonard Aldleman:

El experimento de Adleman consistió en establecer con ADN un sistema con una cantidad enorme de "procesadores" en paralelo para resolver el siguiente problema:Supongamos que hay un vendedor ambulante que va de ciudad en ciudad y que tiene que elegir, entre un gran número de posibles rutas, la más eficiente. Si el número de ciudades a visitar aumenta considerablemente, este problema resultaría imposible de resolver aunque utilizásemos todas las computadoras actuales.

Sin embargo, la computadora de ADN de Adleman resolvió este problema en milésimas de segundo. Dicha computadora consistió en un tubo de ensayo con una pequeña cantidad de solución que contenía trillones de moléculas de ADN. Adleman asignó una combinación única de bases formando una hélice simple de ADN por cada ciudad e hizo millones de copias de cada una a través de procesos bioquímicos. Después, hizo lo mismo asignando la combinación única de bases equivalente, al complemento del nombre de dos ciudades si existía una ruta directa entre ambas (Aquí es donde podemos observar la funcionalidad que presenta el ADN debido a su complementariedad de bases). El ADN, cuando está en hélice simple, en forma natural tiende a unirse con su complemento.

Al poner las hélices de las ciudades junto con las de las rutas, éstas se unieron en forma casi instantánea con sus respectivos complementos formando doble hélices de ADN representando todas las posibles rutas pudiendo observar así cual era la más corta.

La formación de la doble hélice de un determinado segmento de ADN a partir de dos hebras representa un proceso de cálculo en paralelo -en el que la información se procesa toda de una vez en cada paso hasta encontrar la solución- mucho más rápido que el clásico proceso secuencial de cálculo.

Teóricamente, los beneficios de las computadoras de ADN son grandes porque esta biomolécula microscópica puede almacenar una gran cantidad de información. Además, es capaz de actuar en multiparalelo y esto permite que un problema de tal complejidad como el expuesto anteriormente, sea resulto de una manera rápida.

Sin embargo, la preparación del tubo de ensayo con las miles de moléculas de ADN y la recopilación de aquellas moléculas válidas llevó bastante tiempo. Además, este método no garantiza que el resulta obtenido sea el mejor pero desde luego, dicho resultado se obtiene en mucho menos tiempo que si trabajásemos con una computadora convencional.

-Programando con ADN

Vamos a explicar con más detalle el diseño, proceso y funcionamiento de un procesador de DNA.-Volviendo al experimento mencionado anteriormente imaginemos que tenemos siete ciudades y que queremos ir desde un punto de inicio (A) hasta un punto final (B) pero

con la condición de pasar por todas las ciudades una sola vez (este es uno de los requisitos de un problema Hamiltoniano).-Para empezar a resolverlo, lo primero que necesitamos es un algoritmo (una lista de órdenes). En nuestro caso el algoritmo que se utilizó fue el siguiente:

1. Generar caminos aleatorios a través del recorrido.2. Quedarse sólo con los caminos que empiecen en la ciudad de inicio (A) y terminen en la

ciudad final (G).3. Quedarse sólo con los caminos que entran a las ciudades por lo menos una vez.4. Cualquier camino que quede es la solución.

-Diseño del experimento:

1. Primero se creó una secuencia de ADN única para cada ciudad (desde A hasta G) y para cada camino entre ciudades (A-B, F-E, etc.) una pieza que concordara con la primera mitad de la secuencia una ciudad y la última mitad de la secuencia de la otra.2. Como sabemos por motivos bioquímicos, las piezas se unirán de manera selectiva (siguiendo los criterios de interacción entre bases nitrogenadas). Se situaron en un tubo de ensayo los fragmentos creados combinándose las piezas al azar y generando así caminos a través del recorrido.3. Para “remover” las piezas y obtener la secuencia final que fuera desde A hasta G; se copiaron varios fragmentos que contenían mitad A mitad G (al echar más producto es más fácil que se encuentren las moléculas).4. Finalmente los fragmentos que tuvieran “7 ciudades de largo” fueron separadas del resto por lo que ya tenían todos los caminos realizados a lo largo de 7 ciudades, pero faltaba asegurar que en el recorrido se había pasado por todas las ciudades una vez. Para ello se utilizaron magnetos que separaban el adn de manera selectiva: primero el que pasaba por la ciduad A, luego el que pasaba por B y así sucesivamente por lo que al final en la solución sólo quedó la secuencia resultado.5. Solo quedaba secuenciar dicho fragmento resultado para obtener la solución al problema.