Los intentos anteriores de construir una computadora química han sido demasiado simples, demasiado rígidos o demasiado difíciles de escalar, pero un enfoque basado en una red de reacciones puede realizar múltiples tareas sin necesidad de ser reconfigurado.
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| Las moléculas se pueden utilizar para computar. |
Una computadora química compuesta por una red de enzimas puede realizar diversas tareas, como medir temperaturas o identificar sustancias, sin necesidad de reconstruirse cada vez. Esto la asemeja más a un sistema biológico adaptativo que a un circuito digital, y ofrece la promesa de vincular la informática con la biología.
Los organismos vivos contienen redes moleculares que integran constantemente señales químicas y físicas, como cuando las células detectan nutrientes, hormonas o cambios de temperatura y se adaptan para sobrevivir. Durante décadas, los investigadores han intentado imitar este proceso de diversas maneras, como la construcción de puertas lógicas a partir de ADN, pero la mayoría de estos sistemas artificiales han resultado ser demasiado simples, demasiado rígidos o demasiado difíciles de escalar.
Ahora bien, Wilhelm Huck, de la Universidad Radboud en los Países Bajos, y sus colegas han adoptado un enfoque diferente. En lugar de programar cada paso químico, construyeron un sistema en el que las enzimas interactúan libremente, creando comportamientos complejos que pueden aprender a reconocer patrones en los reactivos químicos.
La computadora del equipo utiliza siete tipos diferentes de enzimas cargadas en diminutas esferas de hidrogel dentro de un pequeño tubo. Un líquido fluye a través de este tubo y se le inyectan cadenas cortas de aminoácidos llamadas péptidos, que sirven como "entrada" para la computadora. A medida que los péptidos pasan por las enzimas, cada una intenta cortarlos en sitios específicos de la cadena peptídica. Pero una vez que una enzima realiza un corte, la forma del péptido y los sitios de corte disponibles cambian, lo que puede abrir o bloquear oportunidades para las demás enzimas.
Dado que una reacción puede desencadenar la siguiente, las enzimas crean una red química en constante cambio, produciendo patrones distintivos que el sistema puede interpretar. «Podemos pensar en las enzimas como… hardware y en los péptidos como software [que] resuelve nuevos problemas en función de las entradas», afirma Dongyang Li. en el Instituto Tecnológico de California, quien no participó en el trabajo.
Por ejemplo, la temperatura influye en la velocidad de acción de cada enzima; a temperaturas más altas, algunas enzimas aceleran su actividad más que otras, lo que modifica la composición de los fragmentos peptídicos en el producto del sistema. Mediante el análisis de estos fragmentos peptídicos con un algoritmo de aprendizaje automático, los investigadores pudieron relacionar estos patrones de fragmentos con temperaturas específicas.
Debido a que las distintas reacciones químicas ocurren en diferentes escalas de tiempo, el sistema retiene de forma natural una especie de «memoria» de señales pasadas, lo que le permite reconocer patrones que se desarrollan con el tiempo. Por ejemplo, podría distinguir entre luz rápida y lenta.pulsos, lo que significa que no solo reacciona a las entradas, sino que también realiza un seguimiento de cómo cambian.
El resultado no es un circuito químico estático, sino una computadora química dinámica y multitarea que procesa señales como un sistema vivo. «La misma red gestionó múltiples tareas —clasificación química, detección de temperatura con un error promedio de ~1,3 °C entre 25 °C y 55 °C, clasificación de pH e incluso respuesta a la periodicidad de los pulsos de luz— sin necesidad de rediseñar la química», afirma Li.
Los investigadores se sorprendieron del buen rendimiento del ordenador, dado su pequeño tamaño, y Huck afirma que espera que algún día se pueda utilizar un sistema más avanzado para traducir señales ópticas o eléctricas.Convierte las señales directamente en señales químicas, lo que le permite responder como lo hacen las células vivas. «Solo usamos seis o siete enzimas y seis péptidos», afirma. «Imagínese lo que se puede hacer con cien enzimas».