Tres investigadores del Instituto Hamilton de Irlanda han ideado un ordenador molecular, que aprovecha hebras de ADN interactuantes suspendidas en agua, capaz de realizar multiplicaciones, divisiones y sumas.
El equipo, el profesor Damien Woods, la profesora asistente Dra. Abeer Eshra y el Dr. Tristan Stérin, han publicado sus hallazgos en un artículo de la revista Nature. Afirman que esta investigación abre nuevas vías para el almacenamiento de datos a largo plazo, la computación energéticamente eficiente y, eventualmente, sistemas moleculares que operan dentro de las células para casos de uso que incluyen la detección de enfermedades.
Investigadores de ADN de Maynooth
El concepto parece sorprendentemente simple en general, pero muy intrincado en su implementación. Los investigadores colocaron una gota de agua salada dentro de un tubo de ensayo junto con fragmentos cortos de ADN y un andamio de ADN más largo. Calentar y luego enfriar la mezcla hace que el ADN realice cálculos. Woods comentó: "Las moléculas interactúan, forman una estructura y esa estructura es la respuesta. Una innovación clave es que el sistema encuentra esa respuesta de forma natural sin aportes continuos de energía".
Denominado Ordenador de ADN con Andamio (SDC), utiliza largas hebras de ADN de andamio como columna vertebral. Cientos de hebras más cortas se unen en sitios de unión pre-diseñados para codificar bits. Estas uniones pueden modificarse para editar datos como entrada para programas moleculares. Las interacciones del ADN se comportan de manera predecible, similar a los bloques de Lego o al origami de ADN, y el mismo hardware húmedo puede ejecutar programas moleculares distintos.
El enfriamiento impulsa el sistema hacia un estado de equilibrio termodinámicamente estable que codifica las salidas del algoritmo. La computación ocurre automáticamente a medida que el sistema alcanza el equilibrio. Los investigadores señalan que esto elimina subsistemas de corrección de errores separados, ya que el sistema se asienta naturalmente en el estado de salida deseado.
El equipo ejecutó diez programas, incluyendo:
---Multiplicación por 3,
---División por 2,
---Detección de paridad de 8 bits,
---Suma de números de 25 bits — una computación de 100 bits.
Según los estándares de silicio, la computación sigue siendo lenta, aunque establece nuevos puntos de referencia de velocidad dentro de la computación de ADN. Un experimento que sumaba números que oscilaban aproximadamente entre 11 millones y 34 millones tardó hasta 14 horas en devolver resultados, mientras que el cálculo de 10 más 3 finalizó en 30 segundos. Los investigadores informan que el SDC puede completar cálculos no triviales en tan solo 30 segundos a un minuto, igualando los límites de velocidad de su equipo de laboratorio y representando los programas más rápidos documentados en la literatura de computación de ADN.
La Dra. Eshra dijo: "La reacción ocurre rápido en el tubo de ensayo, pero no tan rápido como el silicio, ni esa es la intención. Pero en comparación con otros ordenadores de ADN, el nuestro es el más rápido".
El dispositivo también se describe como robusto y reutilizable, completando hasta 25 cálculos distintos y secuenciales.
La complejidad de este trabajo se puede ver en los diagramas presentados en su artículo de Nature;
Ver el diagrama completo ayuda a ilustrar su alcance.
Los investigadores escriben en su artículo de Nature: "Los principios de la computación termodinámica podrían permitir un almacenamiento de datos de ADN robusto". Si bien es teóricamente factible, el acceso lento a los datos y la complejidad del sistema hacen que el almacenamiento de ADN generalizado sea poco práctico. Las afirmaciones de que la computación de silicio, incluso con un consumo de energía constante, se enfrenta a una amenaza por esta investigación financiada con fondos públicos son claramente exageradas. Aún así, la computación molecular de ADN puede resultar valiosa para la reprogramación de células humanas, una perspectiva emocionante.
El profesor Woods señaló: "Esto es ciencia de cielo azul. No sabemos a dónde nos llevará el futuro".
Tristan Stérin compartió un relato detallado de la investigación y sus orígenes.
Notas al pie
Esta investigación de ordenadores de ADN recibe financiación de la UE bajo el proyecto DISCO, Infraestructura basada en ADN para Almacenamiento y Computación. La iniciativa explora tecnologías de ADN para nuevos métodos de computación y almacenamiento de datos. Financiado a través del Desafío Pathfinder del Consejo de Innovación Europeo sobre almacenamiento de datos digitales basado en ADN, el proyecto tiene aproximadamente 4 millones de euros (4,6 millones de dólares). Coordinado por el profesor Woods y el grupo TAPDANCE de la Universidad de Maynooth, sus socios incluyen Tilibit de Múnich, especializada en origami de ADN, y PRGM.dev / Major Groove, con sede en París.
TAPDANCE es el grupo de investigación de Teoría y Práctica de Motores de Computación de ADN dentro del Instituto Hamilton y el Departamento de Ciencias de la Computación de la Universidad de Maynooth, dirigido por el profesor Woods.
La Universidad de Maynooth es una escuela constituyente de la Universidad Nacional de Irlanda con sede en Maynooth, Condado de Kildare, Irlanda, aproximadamente a 15 millas al oeste de Dublín.
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