Cómputo rápido y reescribible con registros de origami de ADN

El ADN almacena las instrucciones para la vida y, junto con las enzimas y otras moléculas, computa todo, desde el color del pelo hasta el riesgo de desarrollar enfermedades. El aprovechamiento de estas virtudes y de su inmensa capacidad de almacenamiento podría dar lugar a ordenadores basados en el ADN más rápidos y pequeños que las actuales versiones de silicio. Como un paso hacia ese objetivo, los investigadores presentan en ACS Central Science un método de computación secuencial y rápida basada en el ADN que, además, se puede reescribir, igual que los ordenadores actuales.

«La computación del ADN como paradigma de computación líquida tiene escenarios de aplicación únicos y ofrece el potencial de almacenamiento masivo de datos y procesamiento de archivos digitales almacenados en el ADN», afirma Fei Wang, coautor del estudio.

En los organismos vivos, la expresión del ADN se produce de forma secuencial: los genes se transcriben en el ARN, el cual se traduce en proteínas. Este proceso afecta a muchos genes de forma simultánea y repetida. Si los investigadores logran duplicar esta compleja y elegante danza en los ordenadores basados en el ADN, estos dispositivos podrían ser más potentes que las actuales máquinas de silicio. Los investigadores han demostrado la computación secuencial con ADN sirve para tareas muy específicas y especializadas. Sin embargo, hasta hace poco, no se había avanzado mucho en el desarrollo de dispositivos de ADN más generales y programables que pudieran utilizarse y reutilizarse para distintas aplicaciones.

En investigaciones anteriores, Chunhai Fan, Wang y sus colaboradores desarrollaron un circuito integrado de ADN programable con muchas puertas lógicas que actúan como instrucciones para las operaciones del circuito. Funcionaba de la siguiente manera:

• Los datos, 0 o 1, se representaban mediante una secuencia corta de ADN de cadena sencilla, llamada oligonucleótido, que contenía una serie de bases: adenina, timina, guanina y citosina. (En la naturaleza, la secuencia de bases codifica un gen).
• Por ejemplo, dos entradas de 1 (cadenas de ADN 1 y 2) interactuarían con una molécula de ADN de puerta lógica OR.
• Luego, en un tubo lleno de líquido, el oligonucleótido de entrada interactuaba con una molécula de ADN de puerta lógica y generaba un oligonucleótido de salida.
• El oligonucleótido de salida se unía a otro ADN monocatenario que se plegaba en una estructura similar a un origami, denominada registro en la jerga informática.
• El oligonucleótido se «leía» revisando su secuencia de bases, se liberaba y se utilizaba en un vial que contenía la siguiente puerta, y así sucesivamente.

Este proceso llevaba horas, y era necesario que alguien transfiriera manualmente el oligonucleótido de una puerta a otro vial para la siguiente operación de cálculo. Por eso, el equipo, junto con Hui Lv y Sisi Jia, quería acelerar la tarea.

Para que los procesos de reacción fueran más eficientes y compactos, el equipo colocó primero el registro de origami de ADN sobre una superficie 2D de vidrio sólido. A continuación, el oligonucleótido de salida que flotaba en líquido de una puerta lógica específica se fijó al registro montado en vidrio. Tras leer el oligonucleótido de salida y determinar las instrucciones de la puerta lógica, se realizaba el desprendimiento, lo que reiniciaba el registro para poder reescribirlo y, con esto, se evitaba tener que mover o sustituir registros. Los investigadores también diseñaron un amplificador que impulsó la señal de salida para que todas las piezas —las puertas, los oligonucleótidos y los registros— pudieran encontrarse entre sí más fácilmente. En un experimento de prueba de concepto, todas las reacciones de cálculo del ADN se produjeron en un solo tubo en 90 minutos.

«Esta investigación allana el camino para desarrollar circuitos de computación de ADN a gran escala con alta velocidad y sienta las bases para la depuración visual y la ejecución automatizada de algoritmos moleculares de ADN», afirma Wang.

Los autores agradecen la financiación del Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de Tecnologías Clave, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Fundación de Ciencia de la Comisión Municipal de Ciencia y Tecnología de Shanghái, la Fundación de Ciencia Posdoctoral de China, la Fundación de Ciencia New Cornerstone y la K.C. Wong Education Foundation.

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