De muchas maneras, la vida es como una computadora. El genoma de un organismo es el software que le dice a la maquinaria celular y molecular (el hardware) qué hacer. Pero en lugar de circuitos electrónicos, la vida se basa en circuitos bioquímicos, redes complejas de reacciones y vías que permiten que los organismos funcionen. Ahora, investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han construido el circuito bioquímico más complejo jamás creado desde cero, hecho con dispositivos basados ​​en ADN en un tubo de ensayo que son análogos a los transistores electrónicos en un chip de computadora.

La ingeniería de estos circuitos permite a los investigadores explorar los principios del procesamiento de información en sistemas biológicos, y diseñar rutas bioquímicas con capacidad de toma de decisiones. Dichos circuitos darían a los bioquímicos un control sin precedentes en el diseño de reacciones químicas para aplicaciones en industrias e ingeniería química y biológica. Por ejemplo, en el futuro, se podría introducir un circuito bioquímico sintético en una muestra de sangre clínica, detectar los niveles de una variedad de moléculas en la muestra, e integrar esa información en un diagnóstico de la patología.

"Estamos tratando de tomar prestadas las ideas que han tenido un gran éxito en el mundo electrónico, como representaciones abstractas de operaciones informáticas, lenguajes de programación, y compiladores, y aplicarlos al mundo biomolecular, "dice Lulu Qian, becario postdoctoral senior en bioingeniería en Caltech y autor principal de un artículo publicado en la edición del 3 de junio de la revista Ciencias .

Junto con Erik Winfree, Profesor de Ciencias de la Computación de Caltech, computación y sistemas neuronales, y bioingeniería, Qian utilizó un nuevo tipo de componente basado en ADN para construir el circuito bioquímico artificial más grande jamás creado. Los circuitos bioquímicos previos hechos en laboratorio eran limitados porque funcionaban de manera menos confiable y predecible cuando se escalaban a tamaños más grandes. Qian explica. La razón probable detrás de esta limitación es que dichos circuitos necesitan varias estructuras moleculares para implementar diferentes funciones, haciendo que los sistemas grandes sean más complicados y difíciles de depurar. El nuevo enfoque de los investigadores, sin embargo, involucra componentes que son simples, estandarizado, de confianza, y escalable, lo que significa que se pueden hacer circuitos aún más grandes y complejos y seguir funcionando de manera confiable.

"Puede imaginarse que en la industria informática, quieres hacer cada vez mejores computadoras, "Dice Qian." Este es nuestro esfuerzo para hacer lo mismo. Queremos hacer cada vez mejores circuitos bioquímicos que puedan realizar tareas más sofisticadas, impulsando los dispositivos moleculares para que actúen en su entorno ".

Para construir sus circuitos, los investigadores utilizaron fragmentos de ADN para hacer las llamadas puertas lógicas, dispositivos que producen señales de salida de encendido y apagado en respuesta a señales de entrada de encendido y apagado. Las puertas lógicas son los componentes básicos de los circuitos lógicos digitales que permiten que una computadora realice las acciones correctas en el momento adecuado. En una computadora convencional, las puertas lógicas están hechas con transistores electrónicos, que están conectados entre sí para formar circuitos en un chip de silicio. Circuitos bioquímicos, sin embargo, consisten en moléculas que flotan en un tubo de ensayo de agua salada. En lugar de depender de los electrones que entran y salen de los transistores, Las puertas lógicas basadas en ADN reciben y producen moléculas como señales. Las señales moleculares viajan de una puerta específica a otra, conectando el circuito como si fueran cables.

Winfree y sus colegas construyeron por primera vez un circuito bioquímico de este tipo en 2006. En este trabajo, Las moléculas de señal de ADN conectaron varias puertas lógicas de ADN entre sí, formando lo que se llama un circuito de varias capas. Pero este circuito anterior constaba de solo 12 moléculas de ADN diferentes, y el circuito se ralentizó en unos pocos órdenes de magnitud cuando se expandió de una sola puerta lógica a un circuito de cinco capas. En su nuevo diseño, Qian y Winfree han diseñado puertas lógicas que son más simples y confiables, permitiéndoles hacer circuitos al menos cinco veces más grandes.

Sus nuevas puertas lógicas están hechas de piezas cortas, ADN monocatenario o ADN parcialmente bicatenario en el que las cadenas simples sobresalen como colas de la doble hélice del ADN. Las moléculas de ADN monocatenarias actúan como señales de entrada y salida que interactúan con las parcialmente bicatenarias.

"Las moléculas simplemente flotan en solución, chocando unos con otros de vez en cuando, "Winfree explica." De vez en cuando, una hebra entrante con la secuencia de ADN correcta se subirá a una hebra mientras que al mismo tiempo se descomprime otra, liberarlo en una solución y permitir que reaccione con otra hebra ". Debido a que los investigadores pueden codificar cualquier secuencia de ADN que deseen, tienen control total sobre este proceso. "Tienes esta interacción programable, " él dice.

Qian y Winfree hicieron varios circuitos con su acercamiento, pero el más grande, que contiene 74 moléculas de ADN diferentes, puede calcular la raíz cuadrada de cualquier número hasta 15 (técnicamente hablando, cualquier número binario de cuatro bits) y redondee hacia abajo la respuesta al número entero más cercano. Luego, los investigadores monitorean las concentraciones de moléculas de salida durante los cálculos para determinar la respuesta. El cálculo tarda unas 10 horas, por lo que no reemplazará su computadora portátil en el corto plazo. Pero el propósito de estos circuitos no es competir con la electrónica; es para dar a los científicos un control lógico sobre los procesos bioquímicos.

Sus circuitos tienen varias características novedosas, Dice Qian. Debido a que las reacciones nunca son perfectas, las moléculas no siempre se unen correctamente, por ejemplo, hay ruido inherente en el sistema. Esto significa que las señales moleculares nunca están completamente encendidas o apagadas, como sería el caso de la lógica binaria ideal. Pero las nuevas puertas lógicas pueden manejar este ruido suprimiendo y amplificando señales, por ejemplo, aumentar una señal que está al 80 por ciento, o inhibiendo uno que está al 10 por ciento, resultando en señales que están cerca del 100 por ciento presentes o inexistentes.

Todas las puertas lógicas tienen estructuras idénticas con diferentes secuencias. Como resultado, se pueden estandarizar, para que los mismos tipos de componentes se puedan conectar juntos para hacer cualquier circuito que desee. Y lo que es más, Qian dice, no es necesario saber nada sobre la maquinaria molecular detrás del circuito para hacer uno. Si quieres un circuito que, decir, diagnostica automáticamente una enfermedad, simplemente envía una representación abstracta de las funciones lógicas en su diseño a un compilador que los investigadores proporcionan en línea, que luego traducirá el diseño en los componentes de ADN necesarios para construir el circuito. En el futuro, un fabricante externo puede fabricar esas piezas y proporcionarle el circuito, Listo para ir.

Los componentes del circuito también se pueden sintonizar. Ajustando las concentraciones de los tipos de ADN, los investigadores pueden cambiar las funciones de las puertas lógicas. Los circuitos son versátiles, con componentes plug-and-play que se pueden reconfigurar fácilmente para volver a cablear el circuito. La simplicidad de las puertas lógicas también permite técnicas más eficientes que las sintetizan en paralelo.

"Como la ley de Moore para la electrónica de silicio, que dice que las computadoras se vuelven exponencialmente más pequeñas y más poderosas cada año, Los sistemas moleculares desarrollados con nanotecnología de ADN han duplicado su tamaño aproximadamente cada tres años, "Dice Winfree. Qian agrega:"El sueño es que los circuitos bioquímicos sintéticos algún día logren complejidades comparables a la vida misma".