La Ciencia explicada: Lógica molecular

Las computadoras modernas se basan en su capacidad de convertir entre ceros y unos. Las reglas para esta conversión se denominan puertas lógicas que toman valores de entrada (input) y dan como resultado un valor de salida (output). De manera análoga a los circuitos integrados, se ha intentado reproducir estas operaciones dentro de un ser vivo, donde la puerta lógica es codificada en el ADN y es operada mediante otras biomoléculas. Aunque ha existido cierto éxito, la complejidad de las operaciones que se pueden implementar en una célula está severamente limitada; para superar esta limitante, Tamsir et al. (2011) desarrollaron una colección de células, cada una de las cuáles realiza una operación sencilla, que son luego combinadas para obtener funciones más complejas.

Los investigadores implementar primero una un tipo de puerta lógica denominada NOR, que toma dos valores de entrada y regresa un solo valor de salida. En el sistema desarrollado, la célula detecta la ausencia (0) o presencia (1) de dos moléculas diferentes, que son capaces de activar de forma independiente la producción de un gen llamado CI, cuando éste se encuentra presente, reprime la producción de un segundo gen, llamado YFP, que emite fluorescencia detectada con una cámara, y funciona como output . De esta forma, la presencia de cualquiera de las dos moléculas originales activa a CI lo cual detiene la producción de YFP (0), mientras que cuando ninguna de las dos moléculas está presente, CI no es activado y YFP es producido (1).

Diseño de la puerta lógica NOR implementada. La tabla muestra las posibles combinaciones de los dos valores de entrada (In1, In2), y el output producido por cada uno de los posibles inputs.

Una vez que los científicos determinaron que su puerta lógica funcionaba correctamente, decidieron implementar funciones más complicadas con combinaciones de la puerta NOR, cuya elección no fue accidental, sino que es una de las dos puertas lógicas funcionalmente completas, lo que significa que cualquier operación lógica puede ser obtenida a partir de combinaciones de NORs. Sin embargo, existen dos problemas fundamentales que complican la implementación de múltiples puertas lógicas en una misma célula: el primero es que se encuentran aisladas y puede ocurrir interferencia entre los componentes de las diferentes puertas lógicas; el segundo es que cada uno de estos sistemas impone una carga metabólica para el organismo, que debe invertir recursos y energía en producir los componentes, por lo que sistemas más complejos, puede afectar el crecimiento y eficiencia del sistema en conjunto.

Los investigadores resolvieron el problema utilizando una colección de células, cada una de las cuáles tiene una puerta NOR esencialmente idéntica, pero que cambia en los detalles de qué moléculas puede usar como input y qué molécula produce como output, de esta forma los investigadores pueden conectar a placer las diferentes operaciones. Los científicos implementaron una puerta XOR, la cual toma dos valores de entrada, y da como resultado 1 (producción de YFP) cuando sólo una de las moléculas de input está presente, y 0 (sin producción de YFP) cuando ambas o ninguna de las moléculas de input están presentes.

Diseño de la puerta lógica XOR implementada. Se muestran los cuatro tipos de célula y la tabla que especifica la relación entre los inputs y outputs.

Una puerta XOR se construye con 3 puertas NOR, y para obtener mayor robustez en la respuesta, los científicos añadieron una puerta buffer, que reduce el ruido de la respuesta final, esto es importante porque cada puerta lógica es una especie de amplificador que amplifica no sólo la señal sino también el ruido.

Debido al éxito obtenido con la puerta XOR, los científicos ampliaron su colección de células que realizan funciones sencillas y las combinaron de diferentes maneras para obtener todas las puertas lógicas posibles que toman dos valores de entrada y dan uno de salida, y lograron implementarlas con éxito.

A la Izquierda se muestra la colección de funciones que se implementaron, cada una en una célula diferente, y a la derecha las combinaciones que dan lugar a las diversas puertas lógicas.

Aunque la compartimentación es un principio que ha sido usado por los ingenieros en electrónica desde hace años, y es un principio que los propios seres vivos aprovechan para organizar sus funciones, no había sido posible aprovecharlo completamente en el desarrollo de estas pequeñas computadoras biológicas. Aunque seguimos estando muy lejos de tener una computadora como la que usamos diariamente hecha de circuitos biológicos, estamos un poco más cerca.

Referencias: