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Sistema operacional biológico

Sistema operacional biológico
Los nuevos avances en ingeniería informática y biología permitirán una mejorar del cálculo computacional y el desarrollo de nuevos ordenadores biológicos.

Ahora consiguen crear un sistema biológico que efectúa operaciones lógicas análogas a las que pueden realizar los transistores de silicio.

El transistor es el componente principal de los circuitos integrados que usan todos los dispositivos electrónicos que usamos en la actualidad.

En los microprocesadores hay millones de ellos.

Estos transistores manipulan corrientes eléctricas y están hechos de semiconductores, en concreto suele ser silicio.
Cuando se trata de componentes digitales los transistores realizan operaciones lógicas. Aunque otra de sus funciones importantes es la amplificación se señales.

Hasta el momento la tecnología de los transistores de silicio es la única que permite la computación de una manera sencilla y barata. Sin embargo, no es el único tipo de transistor que se puede concebir.

Ahora un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford ha conseguido realizar transistores biológicos que usan ADN, ARN y enzimas para manipular señales bioquímicas. Lo llaman transcriptor.

El transcriptor permite a realizar computación dentro de células vivas según éstas son expuestas a ciertos estímulos externos y así poner en marcha o no procesos específicos según las necesidades.

Los investigadores implicados sostienen que las computadoras biológicas pueden ser usadas para reprogramar sistemas vivos, vigilar el ambiente y mejorar terapias.

Así como el transistor semiconductor controla el flujo de electrones en los circuitos, el transcriptor manipula el flujo de ARN polimerasa (una enzima) según ésta viaja por la hebra de ADN.

Para realizar este control se usan unas proteínas naturales denominadas integrasas. Al igual que el transistor sirve para amplificar una señal eléctrica, en el caso del transcriptor un pequeño cambio en la integrasa puede crear un gran cambio de la expresión de otros dos genes.

En ambos casos la amplificación es algo esencial para que el sistema funcione bien sin que las señales desaparezcan en el ruido de fondo.

El sistema permite implementar puertas lógicas genéticas basadas en el Álgebra de Boole habitual que devuelven respuesta de verdadero o falso a preguntas bioquímicas que se den en la célula.

La elección de las enzimas necesarias se debe hacer en función de si se trata de bacterias, hongos, plantas o animales para así tener biocomputación en una gran variedad de organismos.

Obviamente el transcriptor por sí sólo no constituye un computador completo, sino algo mucho más sencillo.

Además de realizar operaciones lógicas, un computador tiene que almacenar y transmitir información. Pero estas otras dos tareas ya fueron realizadas con componentes biológicos el año pasado por el mismo grupo investigador.

Así, pudieron almacenar información genética reescribible en el ADN y transmitirla de célula a célula en una especie de “internet biológica” sencilla. Juntando estas funciones se podría crear un sistema de computación biológico completo.

De momento se planea usar este tipo de computación en investigación básica para Biología.

No se pretende competir con la computación tradicional basada en semiconductores. Aunque el sistema sólo está limitado por la imaginación.

Estos investigadores han puesto sus resultados en dominio público para que otros también puedan desarrollar y mejorar este concepto de computación biológica.

Fue Adleman, un conocido matemático experto en criptografía y seguridad, el primero en demostrar la capacidad del ADN como herramienta informática.

Gracias a sus innovadoras ideas, en 1994 se desarrolló el primer "ordenador basado en el ADN", la molécula encargada de portar la información genética en los seres vivos.

Hoy en día podemos definir la computación biológica como "el uso de organismos vivos o sus componentes para realizar cálculos computaciones u otro tipo de operaciones asociadas con la computación". Como vemos, esta explicación es demasiado vaga, por lo que podemos asignar tres áreas de trabajo de la computación biológica:
  1. Unión de organismos vivos con sistemas de computación convencionales
  2. Ordenadores de ADN
  3. Desarrollo de células vivas con capacidades computacionales
Los orígenes de esta computación biológica se halla en los años cincuenta, cuando una parte de la ingeniería informática se comienza a fijar en los conocimientos y las teorías propugnadas desde el ámbito de la biología.

Gracias a este esfuerzo nacerían disciplinas destacadas, tales como la programación genética, los algoritmos genéticos o las estrategias evolutivas.

Unión de organismos vivos con sistemas clásicos de computación

Las redes neuronales están diseñadas para imitar el proceso del pensamiento físico que realiza el cerebro biológico. Para ello dicha red consta de hardware o software que trata de parecerse al funcionamiento del propio cerebro en la vida real.

En este, podemos fijarnos en dos neuronas que se conectan por un proceso llamado sinapsis. La célula nerviosa del centro puede actuar como interruptor, estimulando al resto de neuronas, y siendo estimulada al mismo tiempo.

De la parte central de cada neurona saldrán lo que se conoce como axones y dendritas, que funcionan como "cables" para conectar unas neuronas y otras.

En 1999, científicos de Estados Unidos conectaron dos neuronas de sanguijuelas para que simularan un proceso de computación biológica.

 Para ello las células neuronales se convierten en los propios elementos de procesamiento (o interruptores), mientras que los axones y las dendritas funcionan como cables artificiales. Asimismo, las sinapsis serían las resistencias variables que transportan entradas ponderadas (o corrientes) que representan a los datos.

Ordenadores de ADN

En este caso, se utiliza la molécula biológica por excelencia para la realización de los cálculos computacionales. Para ello se codifican en las cuatro letras del ADN los posibles valores de las variables, combinándose las secuencias en hebras que representan soluciones.

Para cada restricción, una sonda de ADN diferente será creada. Para cada condición, todas las hebras de ADN se mezclan, y se descartan aquellas soluciones que no se complementen con nuestra sonda.

Gracias a esto, Adleman resolvió en 1994 el conocido como "problema del viajante para las 7 ciudades". Unos meses más tarde, y gracias a la computación biológica, Lipton resolvería problemas más complejos de forma más rápida con un ordenador de ADN que con uno convencional.

Las principales características de estos computadores son que aunque presentan una gran capacidad (ya que se realizan trillones de reacciones químicas a la vez), las diferentes etapas son bastante lentas y pueden contener demasiados errores.

Se deberán subsanar estos dos problemas antes de que la computación biológica a través de esta vía se afiance.
 
Científicos de la Universidad de Stanford han realizado un gran avance en este sentido, utilizando para ello la bacteria Escherichia coli.

Para ello recrearon en la propia célula el funcionamiento de un transistor, en el que los cables metálicos por los que pasa el flujo de electrones fueron sustituidos por hebras de ADN, en la que los electrones eran reemplazados por una proteína.

La utilización de estos dispositivos bacterianos mejoraría significativamente el desarrollo de la computación biológica.

 La construcción de estos transistores, que funcionan como puertas lógicas tomando señales de entrada y procesando diferentes respuestas, ha permitido la creación de las "Boolean Integrase Logic Gates", un sistema específico de conmutación informática mediante el uso de sistemas biológicos.

Células vivas con capacidad computacional

El siguiente paso de la computación biológica sería el de la construcción de células vivas con determinados genes que les permitieran realizan operaciones de computación.

Estas secuencias de ADN, responsables normalmente de codificar proteínas, pueden habilitar o inhabilitar la expresión de nuestra información genética.

Aprovechando estas características, se trata ahora de dotar a las células con nuevas especificaciones, en base a las cuales se facilite la programación.

Para ello, se trabajaría en dos vías diferentes, por una parte el cómputo intracelular y por otra, la mejora de la comunicación intercelular.

Contando con una célula diseñada para un interés específico, podríamos aumentar la capacidad de cálculo permitiendo que esta célula se reprodujera.

Avances que sin duda mejorar el desarrollo de la computación biológica y hacen cuanto menos más difusa la frontera entre la biología y la ingeniería informática.

Dos campos aparentemente muy alejados, pero que en el futuro conseguirán hablar el mismo idioma, lo que repercutirá en mejoras tecnológicas para la sociedad.

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