Resumen:
Investigadores de la Universidad de Maynooth en Irlanda han desarrollado un nuevo tipo de computadora de ADN que puede utilizar las reacciones químicas naturales de las moléculas de ADN en soluciones salinas para completar cálculos sin el consumo continuo de electricidad como las computadoras electrónicas tradicionales. El equipo de investigación afirmó que este método permite por primera vez la computación del ADN sin una fuente de alimentación externa continua y logra la velocidad de computación más rápida en los sistemas informáticos de ADN existentes.
Con la rápida expansión de la inteligencia artificial y los centros de datos, el consumo de energía de los equipos informáticos se está convirtiendo en un tema cada vez más importante. Los investigadores predicen que para 2050, hasta el 20% de la electricidad consumida por el sector comercial estadounidense podrá usarse para computación, y la demanda de energía de los centros de datos podría duplicarse en los próximos años. En este contexto, cómo reducir la demanda de energía del propio proceso informático se ha convertido en una dirección importante para que los investigadores encuentren nuevas arquitecturas informáticas.
Damien Woods, científico informático de la Universidad de Maynooth y autor principal del artículo, dijo que actualmente la gente está acostumbrada a entender las computadoras como dispositivos compuestos de chips de silicio y transistores, pero la naturaleza en realidad ha desarrollado muchos mecanismos informáticos que pueden completar tareas complejas con energía extremadamente baja, y el cerebro humano es un ejemplo. Por lo tanto, los investigadores esperan encontrar métodos de cálculo de la química de la vida que sean diferentes de los cálculos electrónicos tradicionales.
Casi todas las computadoras electrónicas modernas dependen de transistores como interruptores básicos, que representan datos a través de dos estados: "encendido" y "apagado". Cada vez que un transistor cambia de estado, consume una pequeña cantidad de energía, y cuando miles de millones o incluso billones de transistores cambian constantemente a frecuencias extremadamente altas, estos pequeños consumos de energía eventualmente se suman a enormes necesidades de energía.
El ADN almacena y procesa información de una manera completamente diferente. Las cuatro bases químicas que forman una cadena de ADN pueden codificar información en diferentes disposiciones, por lo que, en teoría, la propia molécula de ADN puede utilizarse como medio informático. A diferencia de las computadoras electrónicas que cambian de estado mediante transistores, la computación del ADN puede explotar las interacciones químicas entre diferentes secuencias de ADN para ejecutar algoritmos.
La computación del ADN no es un concepto nuevo. Ya en la década de 1990, Leonard Adleman, un científico informático de la Universidad del Sur de California, utilizó moléculas de ADN y reacciones bioquímicas para resolver el famoso "problema del viajante", demostrando que el ADN se puede utilizar para realizar cálculos. Desde entonces, los investigadores han seguido desarrollando nuevos algoritmos moleculares, con la esperanza de permitir que el ADN asuma más funciones de las computadoras tradicionales.
Sin embargo, siempre ha habido una cuestión clave en la computación del ADN: cómo hacer que el sistema tenga un bajo consumo de energía, estabilidad y confiabilidad al mismo tiempo, y no requiera una intervención manual continua por parte de los investigadores durante el proceso de cálculo. Muchos métodos tradicionales de computación del ADN requieren la adición constante de reactivos o el suministro de energía adicional para permitir que las reacciones químicas se desarrollen según lo planeado.
El equipo de Woods adoptó un enfoque diferente, más cercano a la tecnología de origami de ADN que ha surgido en los últimos años, en lugar de enfrentar grandes cantidades de hebras simples de ADN entre sí para encontrar la respuesta.
Los investigadores primero utilizaron un "andamio" de ácido nucleico más largo, luego agregaron una gran cantidad de fragmentos de ADN más cortos y los colocaron en una solución salina tibia. A medida que la solución se enfría gradualmente, las moléculas de ADN interactúan y forman estructuras más estables. La estructura resultante en sí misma es la respuesta al problema computacional.
En este sistema, las moléculas interactúan y forman una estructura, y esta estructura es el resultado de los cálculos, explicó Woods. La característica más crítica de todo el proceso es que el sistema puede evolucionar naturalmente al estado de energía más bajo, por lo que no hay necesidad de una entrada continua de energía externa para impulsar el cálculo.
En otras palabras, este tipo de computadora de ADN no consume electricidad continuamente para permitir que los transistores conmuten a altas velocidades. En cambio, permite que el sistema molecular encuentre por sí solo un estado más estable y de menor energía, y utiliza la estructura molecular final como resultado.
Los investigadores utilizaron este método para ejecutar una variedad de programas diferentes, algunos con cálculos de hasta 100 bits. Los experimentos han demostrado que este sistema puede completar cálculos matemáticos prediseñados sin necesidad de un suministro continuo de electricidad.
Sin embargo, si sólo nos fijamos en la velocidad de cálculo única, todavía existe una enorme brecha entre esta y las computadoras tradicionales basadas en silicio. Por ejemplo, uno de los cálculos más rápidos del experimento fue sumar 3 y 10, e incluso así tomó unos 30 segundos obtener el resultado. Para las computadoras electrónicas comunes, esta velocidad es casi insignificante.
Pero los investigadores enfatizaron que el valor de la computación con ADN no radica en competir con la CPU por una velocidad de cálculo única. Las moléculas de ADN pueden realizar reacciones químicas muy paralelas y se pueden realizar una gran cantidad de cálculos diferentes simultáneamente en el mismo pequeño sistema de reacción. Por tanto, este tipo de ordenador es más adecuado para afrontar determinados problemas que pueden descomponerse en una gran cantidad de tareas paralelas.
Abeer Eshra, uno de los primeros coautores del artículo, dijo que esta reacción puede ocurrir rápidamente en un tubo de ensayo. Aunque la velocidad sigue siendo mucho menor que la de una computadora basada en silicio, en comparación con otros sistemas informáticos de ADN, este método es actualmente la solución más rápida.
El ADN también tiene una ventaja que las computadoras electrónicas tradicionales no pueden igualar: su densidad de almacenamiento de datos extremadamente alta. En teoría, un gramo de ADN puede almacenar cientos de millones de gigabytes de datos, lo que significa que en el futuro una gran cantidad de información digital humana podría incluso comprimirse en un espacio físico muy pequeño.
Si se combina la densidad de almacenamiento ultraalta del ADN con tecnología de lectura y escritura de datos de baja energía, y luego se utilizan mecanismos de computación molecular que naturalmente tienden a estados de baja energía para realizar tareas específicas, es posible formar un sistema de procesamiento de datos que sea completamente diferente de las computadoras electrónicas tradicionales.
Este método informático es especialmente adecuado para escenarios que no requieren procesamiento en tiempo real de alta velocidad, pero requieren almacenamiento y procesamiento a largo plazo de información masiva. En comparación con los discos duros tradicionales, las unidades de estado sólido y los centros de datos, el ADN puede almacenar información en densidades extremadamente altas y permanecer estable durante largos períodos de tiempo en condiciones adecuadas.
Los investigadores creen que el almacenamiento y la computación del ADN pueden integrarse aún más en el futuro, haciendo del ADN no sólo un "disco duro molecular", sino también capaz de calcular directamente los datos almacenados en él sin tener que convertir primero toda la información en señales electrónicas.
Esto significa que los futuros centros de datos no necesariamente tendrán que estar compuestos por una gran cantidad de chips y dispositivos de almacenamiento de alta velocidad. En algunas aplicaciones específicas, las moléculas de ADN diseñadas pueden realizar simultáneamente tareas informáticas y de almacenamiento de datos, y producir resultados directamente a través de reacciones químicas.
Por supuesto, esta tecnología aún se encuentra en las primeras etapas de investigación. La velocidad de completar una simple adición en 30 segundos obviamente no es comparable a la de las CPU, GPU e incluso microcontroladores modernos. En aplicaciones prácticas, la computación del ADN también necesita resolver muchos problemas, como la escala de cálculo, la lectura de resultados, el control de reacciones químicas, la confiabilidad y la fabricación por lotes.
Por lo tanto, la importancia de esta investigación no significa que las computadoras electrónicas tradicionales pronto serán reemplazadas por el ADN, pero demuestra que la informática no requiere necesariamente un consumo continuo de energía eléctrica. Los investigadores demostraron un paradigma informático completamente diferente al permitir que un sistema molecular evolucionara por sí solo hasta un estado estable.
A medida que la IA, la computación en la nube y los centros de datos continúan aumentando el consumo global de energía informática, este tipo de método informático que consume muy poca energía o incluso no requiere un suministro de energía continuo puede ganar gradualmente más atención. En el futuro, la computación del ADN tal vez no se convierta en un sustituto de las computadoras de uso general, pero en áreas como los algoritmos específicos, el procesamiento masivo de información y el almacenamiento de datos a largo plazo, puede desarrollar ventajas que sean difíciles de replicar para las computadoras electrónicas.
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