Puertas lógicas y circuitos combinacionales implementados con reacciones bioquímicas enzimáticas

Por Francisco R. Villatoro, el 5 enero, 2010. Categoría(s): Biología • Bioquímica • Ciencia • Informática • Science

La biología sintética es un campo de investigación emergente que pretende aplicar a la biología las ideas del diseño y desarrollo de sistemas utilizadas en ingeniería. Hay muchas aproximaciones, pero una de las más curiosas es la implementación de redes de circuitos lógicos combinacionales (los utilizados por los microprocesadores microelectrónicos en nuestros ordenadores) mediante redes de reacciones (bio)químicas catalizadas por enzimas (proteínas). Se implementa una puerta lógica (OR, AND, NOR, NAND) con dos entradas y una salida utilizando reacciones químicas del tipo A+B→C (o A+B→C+D), donde se interpreta la concentración de los metabolitos (sustratos) A y B como entradas y la del sustrato C como salida (en su caso, D no se considera como salida). Las entradas y las salidas se interpretan de forma que si la concentración de dicha sustancia es menor que cierto umbral se representa un «0» lógico y si supera otro cierto umbral se representa un «1» lógico; para concentraciones intermedias la lógica está indeterminada. En los trabajos actuales estos umbrales dependen de cada sustancia y los procesos lógicos se realizan en el laboratorio húmedo utilizando tubos de ensayo, pipetas y demás instrumental. En el futuro estos circuitos se implementarán de forma integrada (como los circuitos integrados implementan la electrónica) utilizando redes de microfluidos y pequeñas cavidades donde se encontrarán las enzimas que catalizarán la reacción. En estas implementaciones se utilizan concentraciones mucho más pequeñas que las usadas en tubos de ensayo por lo que hay que lidiar con un gran problema, el ruido. Para predecir como se comportará un circuito e utilizan simulaciones estocásticas in silico (mediante simulaciones por ordenador) que permiten verificar bajo que condiciones los circuitos se comportan como deben. Nos cuenta muy bien el estado actual de esta tecnología Vladimir Privman, profesor de la Universidad de Clarkson, en Potsdam, New York, EEUU, en su artículo de revisión de septiembre del año pasado [1], que he recordado al ojear su último y brevísimo artículo en ArXiv [2]. Las figuras que decoran esta entrada están extraídas del primero de ellos.

[1] Vladimir Privman, Evgeny Katz, Joseph Wang, «Towards Biosensing Strategies Based on Biochemical Logic Systems,» ArXiv, 8 Sep 2009 [artículo #224 de Privman].

[2] Valber Pedrosa, Dmitriy Melnikov, Marcos Pita, Jan Halamek, Vladimir Privman, Aleksandr Simonian, Evgeny Katz, «Enzymatic Logic Gates with Noise-Reducing Sigmoid Response,» ArXiv, 23 Dec 2009 [artículo #226 de Privman].

La implementación de circuitos lógicos requiere el descubrimiento de cadenas o sucesiones de reacciones enzimáticas que implementen diferentes puertas lógicas (AND, OR, NOT, o puertas universales como NAND o NOR) y que satisfagan las restricciones de fan in y fan out de los circuitos lógicos. Estas restricciones implican que la concentración de un sustrato a la salida de una puerta (que represente un «0» y «1» válidos) sea adecuada como entrada de la puerta siguiente (como «0» y «1» válidos a su entrada). Aunque esta relación pueda parecer obvia, el «ruido» propio de las reacciones bioquímicas para concentraciones bajas, en circuitos microfluídicos, conlleva que esta sea la restricción más importante y más difícil de satisfacer en la práctica cuando el número de puertas lógicas crece.

¿Computadores bioquímicos para qué? A corto plazo se pretenden desarrollar biosensores y a largo plazo controladores de la bioquímica y el metabolismo celular, incluyendo aplicaciones biomédicas. Un futuro prometedor que por ahora es sólo eso, un futurible.  



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