El futuro de la biología: la biocomputación

 

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Por Maggie Chua

Traducido por L. Domenech

A lo largo de la historia, la humanidad ha seguido introduciendo nuevos inventos y tecnologías que llevaron a cambios radicales en la forma en que las personas vivían sus vidas y veían el mundo. La pregunta siempre universal de "¿Quién soy yo?" se ha mantenido igual de esquivo tanto a nivel literal como interno. Hay innumerables cosas en biología que no entendemos o que ni siquiera sabemos que existen. Incluso si puede parecer que estamos en camino de "jugar a ser Dios" con la edición de genes, todavía estamos muy lejos de utilizar y manipular completamente la biología para resolver algunos de nuestros mayores problemas. Aunque en su infancia, la biocomputación tiene el potencial de revolucionar completamente la medicina, la computación, el medio ambiente y una variedad de otras áreas que ni siquiera podemos imaginar.

¿Qué es la biocomputación?

La biocomputación o informática orgánica es la idea de crear sistemas informáticos hechos de materiales biológicos. Piense en ADN, ARN, proteínas y otras estructuras orgánicas. Se enmarca dentro de la biología sintética, la idea de rediseñar organismos para que tengan nuevas habilidades y / o propiedades.

Por ejemplo, las empresas están desarrollando tecnología de ADN que se puede utilizar para almacenar los datos digitales del mundo, los biólogos sintéticos están desarrollando circuitos genéticos para terapias dirigidas y muchas otras aplicaciones que aún no se han realizado.

Aunque a menudo nos gusta separar la biología y las ciencias de la computación como dos dominios separados, los dos campos están comenzando a superponerse de maneras que podrían generar una innovación revolucionaria. Si lo piensa bien, las células son ejemplos de "dispositivos" informáticos sofisticados que pueden tomar "entradas" de su entorno (es decir, luz, etc.) y crear una respuesta celular, o "salida", que se adapte a la situación. Del mismo modo, las computadoras toman la entrada de su usuario y crean una salida mostrando la respuesta deseada.

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"Cuatro bases son mejores que dos"

Esta es una especie de versión de imitación del adagio "Dos cabezas son mejor que una", pero lo mismo se aplica a la biocomputación. De hecho, cuatro bases son mejores que dos. Déjame dar un paso atrás y explicarte.

En el pasado, cada vez que alguien me preguntaba cómo funcionaba una computadora, solía dar una respuesta desinteresada de algo como "ya sabes, un montón de 0 y 1". Pero ahora eso ha cambiado.

Estos 0 y 1 se conocen como valores binarios que almacenan información digital. Binary es un sistema de base dos en el que solo hay dos valores. En este sistema, 1 está encendido y 0 está apagado. Piense en polos opuestos como Sí o No, Verdadero o Falso, Correcto o Incorrecto.

Sin embargo, estamos llegando a un límite ya que la cantidad de datos que estamos produciendo excede con creces nuestra capacidad para almacenar toda esta información. Estamos llegando a los límites de la computación clásica con nuestros transistores dimensionados hasta el punto en que es casi imposible reducir aún más el tamaño y la naturaleza de los problemas que queremos resolver requiere más potencia de computación de la que está disponible actualmente.

¡No ayuda que las estimaciones de International Data Corporation (IDC) pronostiquen que para 2025, los datos mundiales crecerán a 175 zettabytes o 1,125,899,910,000,000 megabytes!

Afortunadamente, el ADN puede proporcionar una solución. Como resumen rápido, el ADN es el modelo de todos los organismos vivos del planeta responsables de los procesos biológicos y, en última instancia, es lo que te hace ser quien eres (por muy cliché que suene). El ADN está formado por cuatro bases: adenina, guanina, citosina y timina. Cada uno tiene sus propios valores binarios correspondientes:

¿Recuerda lo que dije sobre tener 175 zettabytes de datos para 2025? Lo loco es que cuando esta tecnología se vuelve escalable, ¡podrías almacenar toda la información de Internet en una caja de zapatos! Pero espera ... ¿cómo funciona esto?

El proceso comienza tomando archivos digitales y convirtiéndolos en código binario. A partir de ahí, el código binario se codifica en bases de nucleótidos y se sintetiza en ADN. Esta información, si se almacena correctamente, puede durar cientos de miles de años.

Cuando es necesario recuperar los datos, el ADN se secuencia y decodifica. A partir de ahí, una computadora lee el código binario para mostrar el archivo deseado.

Por el momento, esta tecnología aún se está desarrollando. Los errores en la secuenciación del ADN impiden que el almacenamiento digital del ADN se amplíe por completo. Como resultado, esta solución funcionará primero como almacenamiento a largo plazo antes de filtrarse hacia abajo para reemplazar los métodos actuales de almacenamiento digital.

Circuitos genéticos y medicina

Cáncer. Envejecimiento. Enfermedades crónicas. El deterioro de la salud podría ser el resultado de la genética, un estilo de vida deficiente o simplemente la vejez. Sin embargo, los avances recientes en campos como la nanotecnología, la medicina personalizada y la biocomputación sugieren el potencial de crear nanobots que patrullen su cuerpo para mantener su salud.

Cuando esta tecnología esté completamente desarrollada, podrá responder a las señales en su entorno y responder de manera eficiente y efectiva. Una forma de lograrlo es tomando prestado un concepto de la ingeniería eléctrica: Logic Gates.

Puertas lógicas

Las puertas lógicas forman la base de todo el hardware digital, con cientos de millones trabajando en conjunto para que pueda ver un video de YouTube o incluso leer este artículo.

Básicamente, las puertas lógicas toman entradas (binarias) y producen salidas basadas en estos valores de entrada. Puede pensar en ellas como funciones en las que, según los números que ingresa, produce una salida basada en las reglas de esa función.

En este artículo, solo nos centraremos en las puertas lógicas básicas: Y, NO, O.

Y: cuando ambas entradas son 1, la salida será 1.

NO: tiene una entrada y una salida. La salida es opuesta a la entrada (si su entrada es 1, la salida es 0 y viceversa)

O: solo se requiere que una entrada sea 1 para que la salida también sea 1.

Utilizando estos conceptos, los circuitos genéticos se pueden usar para la administración de medicamentos, para detectar y diagnosticar enfermedades, terapia génica, ¡y la lista continúa! Por ejemplo, en 2015, los investigadores desarrollaron un circuito sintético que podría apuntar con éxito a las células y hacer que la célula sufriera apoptosis (muerte celular).

Primero, los aptámeros de ADN se unen a sus objetivos ubicados en las superficies de las células. Los aptámeros son ADN monocatenarios (ssDNA) o ARN (ssRNA) cortos que pueden unirse a objetivos específicos como antígenos, proteínas, células, toxinas, etc. Cuando los aptámeros se unen a estas células, dejan una "etiqueta" de ssDNA. Luego, una pequeña molécula llamada efector analizará estas etiquetas. Para este experimento, su efector era un complejo de ADN bicatenario (dsDNA) que portaba un fármaco / colorante específico para los perfiles de etiqueta adheridos a la célula de interés. Dado que estaban usando una sonda AND, eso significaba que ambas etiquetas de ssDNA tenían que estar presentes para la apoptosis celular. Si ambos están presentes, una herramienta llamada Desplazamiento de hebra mediada por Toehold (TMSD) intercambiaría la secuencia de ADN diana con su secuencia compleja de dsDNA, lo que provocaría la muerte celular.

En resumen:

El ssDNA se une al objetivo en la célula - deja una etiqueta - el efector analiza las etiquetas:

si tiene ambas etiquetas de ssDNA, agrega fármaco / colorante - TMSD utilizado para intercambiar la secuencia objetivo con la secuencia compleja de dsDNA - apoptosis celular, si no tiene ambas etiquetas ssDNA, no pasa nada

Concluyendo

Como campo nuevo y emergente, la biocomputación tiene un enorme potencial para revolucionar el almacenamiento de datos, la medicina y la computación. Dado que esta tecnología todavía está en proceso de desarrollo , existen muchas otras aplicaciones con impactos profundos que ni siquiera hemos considerado todavía. A pesar de esto, una cosa permanece clara: la intersección de la tecnología y la biología marcará el comienzo de una nueva era de innovación que el mundo nunca ha visto.

¡Hola! Mi nombre es Maggie y soy una ambiciosa joven de 16 años que busca impactar al mundo a través de la biotecnología emergente. Por el momento, estoy buscando explorar temas como biocomputación, filosofía, ética y cambio climático.

Si llegaste al final, ¡gracias por leer mi artículo! ¡No dude en conectarse conmigo en Linkedin o suscribirse a mi boletín personal si desea recibir actualizaciones sobre mi viaje de biocomputación!

Este artículo se puede leer en su versión original en inglés en Medium / Maggie Chua