Científicos crean una computadora dentro de una gota de agua usando miles de millones de moléculas de ADN

Una sola gota de agua contiene miles de millones de moléculas de ADN capaces de procesar información y generar respuestas sin procesadores de silicio. Investigadores de la Universidad de Maynooth han diseñado estas interacciones moleculares en una Computadora de ADN con Andamio (SDC, por sus siglas en inglés) programable, capaz de ejecutar tareas complejas, incluidos cálculos de 100 bits.

Mecanismo de cálculo termodinámico

La computación molecular que utiliza material genético, reacciones químicas y proteínas ha existido durante décadas. La SDC se distingue por diseñar sistemas donde la respuesta correcta representa el estado más favorable energéticamente. A medida que las moléculas de ADN compiten y se reorganizan, migran naturalmente hacia esta configuración estable de baja energía.

Damien Woods, profesor de la Universidad de Maynooth y autor del estudio, explicó que las moléculas interactúan para formar una estructura que constituye la respuesta. Señaló una innovación clave: el sistema identifica la solución sin requerir entradas continuas de energía.

Dinámica de andamios y fichas de cálculo

La arquitectura de la SDC comienza con una larga cadena de ADN que sirve como andamio. Cadenas más cortas, denominadas fichas de cálculo, se unen en posiciones específicas a lo largo de esta columna vertebral. La programación ocurre seleccionando secuencias de ADN que dictan qué cadenas vecinas pueden unirse correctamente.

Cada posición del andamio acomoda fichas de ADN competidoras. La unión es energéticamente favorable cuando las fichas vecinas poseen secuencias coincidentes. Por el contrario, los desajustes incurren en una penalización energética, haciendo que las fichas incorrectas se desprendan y sean reemplazadas. Este proceso iterativo impulsa la estructura molecular hacia la configuración con menos desajustes, creando un paisaje donde la respuesta reside en el punto de menor energía.

Protocolo experimental y pruebas

Los experimentos implican mezclar el andamio, las cadenas de cálculo apropiadas y las moléculas informadoras, seguidas de ciclos térmicos. Un procedimiento típico enfría la mezcla desde 80 °C (~353 K) hasta 20 °C (~293 K) durante tres horas, luego la mantiene durante 45 minutos. Durante esta fase, las cadenas de ADN exploran varias disposiciones simultáneamente, moviéndose hacia el estado favorecido termodinámicamente.

A diferencia de otras computadoras moleculares que requieren un control estricto sobre el orden de reacción, la SDC permite la exploración paralela. Los ajustes incorrectos resultan en inestabilidad, provocando la separación y el reemplazo por mejores coincidencias. Esto permite la autocorrección sin mecanismos separados de manejo de errores.

El equipo validó el sistema mediante más de 700 cálculos en 10 programas, incluyendo multiplicación por tres, división por dos y detección de paridad de 8 bits. En pruebas de cuatro posiciones, aproximadamente el 95 por ciento de los cálculos arrojaron resultados esperados en promedio.

Capacidades de escalabilidad y reutilización

La computadora de ADN funciona como un rompecabezas molecular donde las formas de las piezas codifican reglas aritméticas. Los números se representan en cadenas binarias de 0 y 1, con cada posición del andamio correspondiente a un lugar binario. Las secuencias de fichas codifican reglas para transportar información entre posiciones. Por ejemplo, una ficha determina el siguiente bit de salida y el acarreo basándose en los bits de entrada y los datos de la columna anterior. Las fichas correctas encajan perfectamente, mientras que las incorrectas se caen, permitiendo que el sistema se asiente en una cadena sin desajustes.

En demostraciones, la SDC manejó tamaños de cálculo variables. Sumó correctamente 10 y 3 para producir 13. Los cálculos más pequeños se completaron en unos 30 segundos. El escalamiento involucró cadenas de ADN más largas para sumar números mucho más grandes, requiriendo 100 bits de información. Estos ejemplos difíciles tardaron hasta 14 horas en completarse.

Abeer Eshra, profesora de ciencias de la computación en la Universidad de Maynooth y coautora del estudio, declaró que aunque la reacción ocurre rápidamente en el tubo de ensayo, no está destinada a igualar las velocidades del silicio. Sin embargo, enfatizó que su sistema es el más rápido en comparación con otras computadoras de ADN.

Sorprendentemente, el dispositivo admite reutilización. El equipo ejecutó con éxito tres programas diferentes entre 9 y 25 veces. Cada nuevo cálculo requirió unos 12 minutos para preparación y ejecución. Además, el sistema demostró longevidad; un experimento recuperó la funcionalidad después de haber sido dejado durante año y medio, parcialmente seco, al ser rehidratado con agua.

Eficiencia energética y perspectiva futura

Los investigadores ven este enfoque como una alternativa potencial a las altas demandas energéticas de la computación convencional. Woods destacó que las computadoras basadas en silicio consumen mucha potencia, señalando que el 23% de la electricidad de Irlanda se destina a la computación y el almacenamiento de datos. Sugirió que centrarse únicamente en un tipo de computadora pasa por alto otros ejemplos, como el cerebro humano.

La computadora de ADN opera de manera diferente al permitir que las moléculas interactúen en agua y se asienten en una disposición estable que representa la respuesta, en lugar de impulsar operaciones electrónicas secuencialmente. A pesar de su promesa, la tecnología sigue siendo demasiado lenta para competir con el silicio, con cálculos más grandes que toman hasta 14 horas y requieren ciclos de calentamiento y enfriamiento.

Actualmente, el logro demuestra que la computación puede surgir de moléculas que se mueven hacia un estado físico favorable. El estudio fue publicado en la revista Nature.