Resumen:
Investigadores de la Universidad de Maynooth en Irlanda han desarrollado un nuevo tipo de computadora de ADN que no depende de chips de silicio tradicionales ni de entrada continua de energía eléctrica, sino que utiliza la interacción entre moléculas de ADN para completar operaciones matemáticas. El sistema es capaz de realizar operaciones como suma, resta, multiplicación y división, y en experimentos procesó con éxito cálculos complejos que involucran datos de 100 bits.
Los investigadores dijeron que el sistema no solo tiene la capacidad de ser reutilizado, sino que también puede depender de la interacción de las propias moléculas para completar los cálculos después del inicio, proporcionando nuevas direcciones de investigación para futuras computación de baja energía, almacenamiento de datos a largo plazo y aplicaciones biomédicas.
El resultado de esta investigación fue publicado en la revista académica internacional Nature. El equipo de investigación llama a este sistema Computadora de ADN andamiada (SDC) y lo describe como uno de los sistemas de computación molecular más complejos y rápidos conocidos hasta ahora.
A diferencia de las computadoras tradicionales que procesan información binaria a través de los estados de conmutación de transistores, las computadoras de ADN utilizan las propiedades químicas de las moléculas de ácido nucleico para procesar información. Los investigadores prediseñan las secuencias de diferentes fragmentos de ADN, permitiendo que estas moléculas se combinen entre sí según reglas específicas y, en última instancia, formen una estructura molecular que pueda representar los resultados del cálculo.
Todo el sistema no parece una computadora en el sentido tradicional. No requiere placa base, procesador o tarjeta gráfica, ni la gran cantidad de transistores de conmutación de alta velocidad que se encuentran en las computadoras electrónicas tradicionales. Durante el experimento, los investigadores sólo necesitan mezclar agua, sal, fragmentos cortos de ADN y un armazón de ADN más largo en un tubo de ensayo, y mediante una pequeña cantidad de calentamiento y posterior enfriamiento, se puede iniciar el proceso de cálculo.
Entre ellos, las cadenas de ADN más largas actúan como andamios y los fragmentos cortos de ADN se combinan con ellas de acuerdo con reglas prediseñadas. A medida que cambia la temperatura, las moléculas continúan combinándose y reorganizándose, formando gradualmente una estructura más estable. La disposición molecular final corresponde a la respuesta al problema de cálculo.
El profesor Damian Woods del Instituto Hamilton de la Universidad de Maynooth dijo que una innovación clave de esta tecnología es que el sistema puede encontrar naturalmente la respuesta correspondiente sin la necesidad de un ingreso continuo de energía para impulsar cada paso del cálculo.
Este método de cálculo hace uso de los principios de la termodinámica. Cuando las moléculas de ADN interactúan, los diferentes métodos de unión tienen diferentes estados de energía. Al diseñar racionalmente secuencias de ADN y estructuras de andamiaje, los investigadores pueden hacer que la disposición molecular que representa la respuesta correcta corresponda a un estado energético más favorable, de modo que todo el sistema tienda gradualmente a este estado durante el proceso de autoensamblaje.
En otras palabras, en lugar de pedirle al procesador que realice cálculos paso a paso de acuerdo con una serie de instrucciones electrónicas como los programas tradicionales, los investigadores codifican las reglas de cálculo en moléculas de ADN de antemano y luego dejan que las moléculas dependan de sus propias interacciones químicas para encontrar resultados que cumplan con las reglas.
Este método es particularmente adecuado para estudiar cálculos a nivel molecular. Una gran cantidad de moléculas de ADN pueden interactuar simultáneamente en la misma solución, por lo que el sistema tiene capacidades potenciales de procesamiento paralelo. Sin embargo, la gran cantidad de moléculas no significa que todos los cálculos puedan completarse de inmediato. La velocidad final aún depende de múltiples vínculos, como reacciones moleculares, ensamblaje de estructuras y lectura de resultados.
Para verificar las capacidades reales del sistema, el equipo de investigación diseñó y probó 10 programas de cálculo diferentes que involucran una variedad de operaciones matemáticas, incluidas tareas de cálculo con una escala de datos de hasta 100 bits.
En un experimento sencillo, la computadora de ADN completó con éxito la operación de 10 más 3, que duró unos 30 segundos. Para una computadora convencional, este cálculo se completaría casi instantáneamente, pero para un sistema que depende del autoensamblaje de moléculas para completar el cálculo, este resultado demuestra su capacidad para manejar tareas informáticas simples.
En otro experimento más complejo, los investigadores pidieron al sistema que sumara números que oscilaban entre 11 millones y 34 millones. Debido a la mayor escala de los cálculos, el sistema finalmente tarda hasta unas 14 horas en obtener resultados.
Estos experimentos muestran que las computadoras de ADN pueden manejar problemas mucho más complejos que la simple suma de un solo dígito, pero todavía existe una enorme brecha entre su velocidad de cálculo y los chips de silicio tradicionales. Los investigadores no intentan construirlo como un reemplazo directo de las computadoras comunes, sino que esperan explorar otra forma de utilizar la materia misma para el procesamiento de información.
El profesor asistente Abir Eshra, que participó en la investigación, dijo que la velocidad de respuesta de este sistema no es tan rápida como la de los chips de silicio, pero su rendimiento tiene ventajas en comparación con otras computadoras de ADN desarrolladas anteriormente. Subrayó que el objetivo de la investigación no es hacer que las computadoras de ADN superen a las computadoras electrónicas tradicionales en todas las tareas, sino aprovechar las ventajas potenciales de la computación molecular en términos de consumo de energía y procesamiento paralelo.
Además de la potencia informática, el rendimiento de reutilización del sistema también es uno de los resultados importantes de esta investigación. Los experimentos han demostrado que el mismo sistema informático de ADN puede realizar continuamente hasta 25 tareas informáticas diferentes sin tener que reconstruir completamente el sistema cada vez.
Para la computación molecular, la reutilización es importante. Algunos de los primeros métodos de computación del ADN consumían una gran cantidad de materiales moleculares, lo que dificultaba seguir utilizando el sistema original después de completar un cálculo. Si es necesario preparar de nuevo un gran número de moléculas de ADN para cada operación, el coste y la dificultad de aplicación práctica de la tecnología relacionada aumentarán significativamente.
El sistema desarrollado por el equipo de la Universidad de Maynooth se puede reutilizar en cálculos continuos, brindando la posibilidad de establecer una plataforma de computación molecular más práctica en el futuro. Sin embargo, la investigación aún se encuentra en la etapa de laboratorio y la estabilidad del sistema en tareas más complejas, ejecuciones más largas e implementaciones a gran escala necesita una mayor verificación.
El trasfondo de esta investigación es la presión energética provocada por el crecimiento continuo de las necesidades globales de computación y almacenamiento de datos.
Los modelos de inteligencia artificial, los servicios de computación en la nube y los grandes centros de datos requieren una gran cantidad de procesadores para funcionar de forma continua. A medida que la escala de las tareas informáticas continúa expandiéndose, el consumo de energía de los sistemas informáticos electrónicos tradicionales se ha convertido en una cuestión cada vez más importante en el desarrollo industrial.
Woods señaló que la informática y el almacenamiento de datos representan una proporción significativa del consumo de electricidad de Irlanda. Él cree que durante mucho tiempo la gente ha tendido a equiparar las computadoras con chips de silicio y circuitos electrónicos, pero ha ignorado que existen otros sistemas en la naturaleza que pueden procesar información.
El cerebro es un ejemplo. El cerebro humano es capaz de completar tareas complejas de procesamiento de información con mucho menos consumo de energía que muchos sistemas informáticos modernos. Aunque la computación del ADN no funciona de la misma manera que el cerebro, los investigadores esperan encontrar nuevas arquitecturas informáticas explorando procesos físicos y químicos que sean diferentes de la computación electrónica tradicional.
El propio ADN también tiene una densidad de información extremadamente alta. Está formado por cuatro nucleótidos básicos, que codifican información en diferentes disposiciones. En teoría, el ADN puede almacenar grandes cantidades de datos en un volumen extremadamente pequeño, por lo que durante mucho tiempo se lo ha considerado como un medio potencial para el futuro almacenamiento de datos de alta densidad.
Sin embargo, el almacenamiento de ADN y la computación del ADN son dos direcciones de investigación relacionadas pero diferentes. El almacenamiento de ADN se centra principalmente en cómo codificar información digital en secuencias de ácidos nucleicos y leerla de forma fiable cuando sea necesario; La computación del ADN intenta utilizar las interacciones entre moléculas para completar directamente operaciones lógicas o matemáticas. El foco de esta investigación está en esto último y también proporciona una base para la exploración futura de sistemas que combinan computación y almacenamiento.
Los investigadores creen que esta tecnología puede usarse en el futuro para escenarios específicos donde se requiere la preservación de la información a largo plazo, el suministro de energía es limitado o las capacidades de procesamiento paralelo de las moléculas se pueden utilizar por completo. Por ejemplo, en algunos sistemas de almacenamiento de datos a largo plazo, si la preservación de la información puede integrarse con parte de la tarea informática, existe la oportunidad de reducir la dependencia de los equipos electrónicos tradicionales.
En el futuro, la informática molecular también podrá combinarse con la investigación biomédica. Dado que el ADN en sí es una molécula de información en los organismos vivos, los investigadores esperan explorar si se pueden utilizar sistemas moleculares similares para realizar tareas específicas dentro de las células o en entornos biológicos, como identificar ciertas señales moleculares relacionadas con enfermedades.
Si se implementan en el futuro, se espera que estos sistemas ayuden a los investigadores a desarrollar nuevos sensores moleculares o permitan que biomoléculas específicas respondan al entorno que las rodea. Sin embargo, el ordenador de ADN actual sigue siendo un sistema experimental que funciona en un tubo de ensayo, lo que no significa que los científicos hayan podido implantar un ordenador de ADN completo en células humanas.
Desde una perspectiva de ingeniería, todavía quedan muchos problemas por resolver con esta tecnología. En primer lugar, el proceso de ensamblaje de la molécula de ADN requiere temperaturas, condiciones de solución y concentraciones de molécula adecuadas, y los investigadores deben asegurarse de que diferentes lotes de experimentos puedan producir resultados consistentes. En segundo lugar, una vez completado el cálculo, el sistema también necesita leer la estructura molecular mediante métodos adecuados y convertir los resultados en información que los humanos u otros dispositivos informáticos puedan utilizar.
Para aplicaciones a gran escala, también es importante mejorar la velocidad de los cálculos complejos, reducir los errores, reducir el costo de los materiales de ADN y establecer procesos de preparación repetibles. Incluso si las moléculas pueden realizar operaciones sin necesidad de energía constante, el proceso de calentamiento, preparación y lectura del equipo experimental aún puede consumir energía. Por lo tanto, la importancia más precisa de esta investigación es demostrar un mecanismo de computación molecular que no requiere electricidad continua para impulsar el proceso de cálculo, en lugar de demostrar que todo el proceso experimental no requiere energía en absoluto.
El proyecto DISCO en el que participó el equipo de investigación, el Proyecto de infraestructura informática y almacenamiento básico de ADN, espera desarrollar aún más métodos de uso del ADN para el almacenamiento de información y la informática. El proyecto recibió aproximadamente 4 millones de euros de financiación del Consejo Europeo de Innovación y fue dirigido por Woods.
Los investigadores dijeron que el trabajo actual es una investigación básica exploratoria y que todavía existe una gran incertidumbre en la dirección de la aplicación futura. Las computadoras de ADN no reemplazarán a los procesadores tradicionales en las PC, los teléfonos inteligentes o los centros de datos de inteligencia artificial en el corto plazo, pero pueden proporcionar una forma diferente de implementar ciertas tareas informáticas especializadas.
Lo realmente importante de esta investigación es que muestra que la informática no tiene por qué depender únicamente de transistores y circuitos electrónicos alimentados continuamente. Al diseñar cuidadosamente la estructura molecular, los investigadores pudieron permitir que el ADN completara operaciones matemáticas durante su proceso de autoensamblaje y conservara una estructura que representara los resultados una vez completados los cálculos.
A medida que las demandas informáticas y el consumo de energía siguen creciendo, encontrar métodos informáticos que sean diferentes de los chips de silicio tradicionales se ha convertido en una importante dirección de investigación en la comunidad científica. Las computadoras de ADN todavía están muy lejos de tener aplicaciones prácticas, pero brindan una dirección que vale la pena seguir explorando para la computación de baja energía, el procesamiento de información molecular y las nuevas tecnologías de almacenamiento de datos.
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