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El ADN como alternativa al silicio

Un superordenador en un tubo de ensayo

Los ordenadores de ácido desoxiribonucleico (ADN) son inusuales en el mundo del proceso de datos ya que los componentes del proceso de datos ADN incluyen elementos no electrónicos como los tubos de ensayo, enzimas, geles y perlas electroforéticas, diapositivas de vidrio con capa de oro, bacterias E. Coli y, naturalmente, el ADN.

El ordenador de ADN fue utilizado con éxito por primera vez en 1994 por Leonard Adleman, un profesor de la Universidad de California del Sur en Los Angeles, para resolver una versión de la Ruta Hambletoniana, que se conoce generalmente como el problema del “viajante de comercio”. Desde entonces se han creado varios prototipos, todos los cuales han sido utilizados como prueba de concepto para resolver versiones reducidas de problemas mayores y más difíciles.
Aparte de su valor como curiosidad, la justificación del valor del ordenador ADN es que utiliza un tipo de proceso masivamente paralelo que no está disponible electrónicamente, ni siquiera ópticamente. Dentro de un tubo de ensayo, pueden generarse en paralelo literalmente millones de millones de soluciones posibles. Sin embargo, los problemas que pueden resolverse deben ser especificados muy rígidamente. No obstante, ninguno de estos prototipos sugiere la existencia de una ruta clara hacia un proceso de datos de tipo tradicional.
Adleman utilizó ADN para resolver un problema de viajante de comercio con siete puntos. La cuestión era: dado un conjunto de siete puntos y vértices dirigidos entre ellos, ¿es posible construir una ruta que comience en el punto 0, termine en el punto 6 y pase a través de todos los otros puntos sólo una vez? Es el mismo tipo de problema de asignación de recursos que podría atraer la atención de un empleado en el mostrador de una línea aérea.
Aunque un estudiante de Tecnologías de la Información decidido podría tomar un lápiz y resolver el problema más rápidamente que el ordenador ADN, que necesitó una semana aproximadamente, imagínese que consistiera en que el viajante de comercio tuviera que visitar 200 puntos. Problemas como éste se conocen como problemas NP-totales, indicando que su complejidad aumenta exponencialmente mientras la especificación del problema aumenta de tamaño en progresión lineal. Cuando aumentan de tamaño lo suficiente, pueden detener en seco a un ordenador electrónico de silicio. Por otra parte, se ha calculado que utilizando de proceso ADN masivamente paralelo de Adleman para resolver un gráfico de 200 puntos se requeriría una mole de ADN con un peso superior al de la Tierra.
Para resolver el problema de los siete puntos, Adleman asignó códigos ADN a cada uno de los elementos del problema, lo cual significó un código por punto y un código relacionado correspondiente por cada vértice dirigido. En un tubo de ensayo, mezcló versiones de estos códigos ADN, que se alinearon para producir una cantidad de soluciones desconocida, la mayoría de ellas probablemente no válidas.
Adleman desechó entonces las soluciones no válidas aplicando una serie de criterios que actuaron lógicamente y que podían ser implementados en un tubo de ensayo.

Amenaza a la seguridad
La promesa que ofrece esta tecnología es que cualquier problema que pueda ser planteado de una forma que corresponda a la que utilizó Adleman podría en teoría ser resuelto también. Adleman y otros han sugerido que este método podría ser utilizado para descifrar el estándar DES (Data Encryption Standard) del Gobierno de Estados Unidos, que se utiliza para codificar datos sensibles para su transmisión. El código DES, que emplea una de 256 claves, es casi indescifrable incluso por los superordenadores más potentes. Sin embargo, un método basado en ADN que fuera capaz de probar la totalidad de los 72 cuadrillones de claves de una sola vez, podría tener una posibilidad de lograrlo, aunque la compañía de servicios DES RSA Data Security ha afirmado que “con una clave lo suficientemente grande, sería posible hacer frente a cualquier ordenador ADN que pudiera construirse.”
Un grupo de investigadores en el NEC Research Institute informó en 1997 que habían construido un ordenador ADN para resolver un “problema exclusivo máximo”, con seis puntos y 11 conexiones. La cuestión era: Dado un conjunto de puntos y un conjunto de conexiones, ¿cuál es la cantidad máxima de puntos que están conectados directamente?
Después de asignar códigos a los componentes del problema, generar ADN para emparejar con los códigos, mezclar el ADN para que pudiera alinearse, y filtrar y clasificar el ADN, incorporaron el ADN de “solución” restante a virus, e hicieron que los virus infectaran a bacterias E. Coli. El ADN viral contenido en las bacterias se multiplicó (lo mismo que hacen los virus al enfermar a las personas) y el ADN de “solución” se multiplicó también. Entonces hubo suficiente ADN para secuenciarlo y encontrar la solución del problema.

Investigación recubierta de oro
Investigadores de la Universidad de Wisconsin han utilizado otro tipo de ordenador ADN para resolver un problema de “satisfacción”, en el que se prueban números binarios para verificar que satisfacen una fórmula y producen “binario verdadero”, el número 1. Su prototipo tuvo que probar 32 secuencias. Para un problema aumentado en un factor de cuatro habría sido necesario probar 1 millón de secuencias.
En este trabajo se utilizaron “tiras” o “bandas” de ADN unidas a una placa de vidrio recubierta de oro para que el ADN en solución no fuera “lavado” por error. A diferencia de las instrucciones electrónicas, que pueden ser reejecutadas pulsando un botón, poner en funcionamiento un ordenador ADN puede requerir algo más de preparación.
Un programador que esté acostumbrado a depurar errores en la codificación procesando una muestra una y otra vez podría tener que encontrar ahora un nuevo modelo o paradigma. Lo que en un entorno electrónico podría parecer un simple cambio algorítimico, como por ejemplo requerir que el viajante de Adleman visitase un determinado punto dos veces, sin especificar qué punto, podría requerir en un entorno ADN un sistema de filtrado y clasificación totalmente nuevo, y posiblemente un enfoque diferente en la forma de enunciar el problema. “Es poco probable que los ordenadores ADN se conviertan en competidores autónomos de los ordenadores electrónicos,” concluye Adleman. Su aplicación más productiva consistiría en simplificar, racionalizar, decodificar y procesar el ADN como se está haciendo en el Proyecto del Genoma Humano y en los laboratorios de investigación criminal.

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