Las biocomputadoras más cercanas

Detrás de toda gran revolución tecnológica siempre hay un desconocido científico que dedicó buena parte de su vida a una investigación básica –única y verdadera investigación– con la que creó los conocimientos imprescindibles y las bases necesarias para el desarrollo tecnológico posterior. Los trabajos publicados por George Boole en el año 1854 y siguientes sobre las matemáticas de la lógica le permitieron desarrollar un sistema de reglas para expresar problemas lógicos y filosóficos cuyos argumentos admitan dos estados (verdadero o falso) por procedimientos matemáticos. Hoy se le considera el padre de las operaciones lógicas que se aplican en los circuitos integrados de los ordenadores digitales actuales y en las futuras computación cuántica y biocomputación.

El álgebra booleana es un sistema matemático lógico basado en los valores cero y uno (falso y verdadero). El paso de esta idea básica a la electrónica digital se realiza a través de una puerta lógica que es un dispositivo electrónico que en la lógica de la conmutación es la expresión física de un operador booleano. Una puerta lógica consiste, por tanto, en una red de circuitos de conmutación integrados en un chip que cumple alguna de las condiciones booleanas. Estas puertas son esencialmente: AND, NOT, OR, NAND y NOR.

Una predicción formulada por Gordon Moore en 1965, conocida como la ley de Moore, dice que la potencia de los ordenadores, su capacidad de memoria y el número de chips se duplica cada 18 meses mientras que su tamaño se hace la mitad. Sin embargo, los chips no se pueden hacer infinitamente pequeños, hay un límite en el cual dejan de funcionar correctamente. En consecuencia, la computación digital tradicional no tardará en llegar a su límite. Surge entonces la necesidad de descubrir nuevas tecnologías y ahí entran en escena la computación cuántica y la biocomputación.

En una entrada anterior de este blog (Escribir con ADN, en enero-2011) ya he mencionado la posibilidad del uso del ADN como portador de información. El ADN contiene información en el orden o secuencia de sus cuatro letras. Ahí está toda la información necesaria para determinar y dirigir el desarrollo de todos los seres vivos. Pero esa información también la podremos utilizar como sistema de almacenamiento o memoria de las posibles biocomputadoras.

Para poder hablar de biocomputadoras deberíamos, además, disponer de circuitos basados en sistemas biológicos que llevasen a cabo las funciones booleanas. Es decir, deberemos crear puertas lógicas biológicas. En esta dirección se han hecho algunos recientes avances entre los que destaco un interesante artículo publicado por un grupo londinense en la revista Nature Communications.

Como se indica en la mencionada publicación, se pueden crear puertas lógicas AND, NOT y NAND mediante la construcción de genes regulados de forma encadenada.

Supongamos un gen bacteriano cuya actividad podamos inducir mediante la adición al medio donde crece la bacteria de una sustancia activadora, este es el caso del operón lac. Un gen regulador, lacI, codifica una proteína represora que impide, de forma habitual, la expresión de un segundo gen, lacZ. Este represor puede ser inactivado por un producto externo que añadamos al medio de cultivo, por ejemplo IPTG, que determinará la actividad del segundo gen que será la síntesis de una proteína, en el ejemplo del operón lac será la ß-galactosidasa. En este operón podemos sustituir el segundo gen por uno que codifique una proteína fácilmente analizable, por ejemplo la proteína GFP que da una fluorescencia verde fácilmente visible y cuantificable. A este gen y su producto cuya actividad nos va a delatar la actividad de los genes implicados, lo denominamos reportero. Tendríamos así un sistema sencillo de obtención de una respuesta, la fluorescencia, ante la presencia de un estímulo, IPTG.

Podemos también construir un plásmido con dos operones, 1 y 2. En 1, el represor R₁, inactivable por el inductor externo I₁, reprime la expresión del gen G₁ que codifica la síntesis de la proteína A₁. En el operón 2, el represor R₂, inactivable por el inductor I₂, reprime la expresión del gen G₂ que codifica la síntesis de la proteína A₂. Lo mismo se podría conseguir con uno o los dos operones inducibles positivos, es decir que la proteína reguladora necesita ser activada por una señal externa para ejercer su función. La adición de esta señal activará la expresión de los genes G₁ o G₂ para dar la síntesis de A₁ o A₂. Si A₁ y A₂ son dos proteínas que cuando se unen dan lugar a un activador de la regulación del gen G₃ que codifica una proteína detectable, por ejemplo GFP, habremos construido una puerta lógica genética del tipo AND.

Tras diversas pruebas, los autores del artículo concluyen que un sistema excelente se consigue usando la bacteria E. coli con un plásmido que llevase las siguientes tres construcciones: 1º, el gen araC regulando la expresión del gen hrpS por ponerle a éste el promotor P_BAD; 2º, el gen luxR controlando el gen hrpR tras ponerle a éste el promotor P_lux; y 3º, el gen gfp controlado por el promotor P_hrpL. El producto de araC se activa añadiendo al medio arabinosa, el producto de luxR se activa por la adición de AHL, y los productos de hrpS y hrpR son dos factores de transcripción, obtenidos de la bacteria Pseudomonas syringae, ambos requeridos para la activación del promotor P_hrpL, que regula al gen reportero gfp. Así la proteína fluorescente verde GFP se sintetizaría si, y sólo si, añadimos los dos activadores arabinosa y AHL al medio de cultivo.

De forma similar, se pueden construir puertas lógicas AND que respondan a más de dos señales.

Una puerta lógica NOT se puede construir con un gen inducible que codifique el activador de un segundo gen que codifique el represor del gen que codifica a la proteína reportera. Finalmente, una puerta lógica NAND se construiría con la misma construcción indicada más arriba para la puerta AND pero poniendo el promotor P_hrpL como regulador de un gen codificante del represor que reprima la expresión del gen reportero.

Ya tenemos la teoría. Para la puesta en práctica (siempre me sonará horrible la palabra "implementación") quedan aún muchos pasos y escalones. Por ejemplo, conectar bacterias con similares o diferentes puertas lógicas genéticas, pero, a diferencia de los circuitos electrónicos, los componentes de un circuito biológico no estarán conectados por cables por lo que el flujo de la información tiene que depender de interacciones químicas específicas. Habría que subir otro escalón haciendo que la información obtenida se pueda acumular y guardar, por ejemplo mediante la conversión de la presencia de una proteína o la actividad de un gen en una secuencia de ADN. Pienso que muchos problemas que podemos imaginar o que podrían surgir en el futuro se eliminarían obteniendo estas construcciones genéticas que funcionasen in vitro. Y todo esto en un medio acuoso o de gelificación suave y completamente estéril. Mucho trabajo aún si la crisis deja que estas investigaciones se sigan llevando a cabo.

Tendremos algún día biocomputadoras? No lo sé, pero como ha ocurrido en muchas ocasiones en la historia de las ciencias, muchas de las grandes aplicaciones se han encontrado donde no se estaban buscando. Serendipia?, casualidad? No, tesón, mucho tesón, siempre abierto a lo que pueda surgir en el camino, al descubrimiento fortuito, sin desdeñar nada y, sobre todo, que la inspiración te coja trabajando.

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