Los científicos exploran los límites de la computación biológica para lograr mini equipos informáticos y fórmulas para programar células que procesen información y actúen por sí solas
Hay investigadores que creen que la miniaturización de los componentes electrónicos de los ordenadores llegará a un punto en el que, al alcanzar determinados límites físicos, será imposible bajar más de escala. Y que ese día está más cerca que lejos. Entonces, habrá llegado el momento de imitar o incluso tratar de echar mano directamente de estructuras microbianas, que puedan cumplir el papel de cables o de discos duros.
Otros científicos sostienen, sin embargo, que no tiene mucho sentido tratar de reproducir estructuras que la industria ha conseguido no solo reducir con habilidad, sino abaratar enormemente a lo largo de las últimas décadas, cuestiones en las que ha mostrado una elevada eficiencia. “El objetivo no es tanto replicar un ordenador en miniatura con otros materiales”, expone Francesc Posas, director del centro de ciencias experimentales y de la salud de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona. “Nosotros pretendemos programar un sistema vivo para que ejecute operaciones diseñadas por nosotros”, explica. Por ejemplo, células o sistemas de células.
Unos y otros investigadores trabajan para avanzar en lo que, desde distintos puntos de vista, se podrían denominar ordenadores biológicos.
En el primer grupo, aquellos que aspiran a mirarse en el espejo de los microorganismos para seguir bajando de escala y aumentar la velocidad de cálculo, se encuentran los investigadores británicos y japoneses que hace unos meses presentaron a unas bacterias con propiedades magnéticas como punto de partida para desarrollar una alternativa microscópica de futuro a los discos duros actuales. Científicos de la Universidad de Leeds en colaboración con un equipo de la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio se fijaron en la bacteria Magnetospitillium magneticum, cuyo hábitat natural se encuentra en lagunas donde el oxígeno es escaso.
Cuando estos microbios comen hierro, unas proteínas que tienen en su interior crean minúsculos cristales de magnetita, el mineral más magnético que existe. El resultado es una especie de superficie imantada similar a la de los discos duros de los ordenadores.
La carrera de la nanotecnología tiene unos límites físicos
Este componente destinado a albergar la memoria permanente de la computadora (frente a la memoria RAM, temporal) es uno de los que más espacio físico ocupan en el interior de la caja del ordenador. El primer disco duro, creado por el gigante informático IBM en 1954 pesaba una tonelada y podía almacenar 5 megabytes (Mb) de información (una canción de unos cuatro minutos grabada a calidad media en formato mp3 ocupa entre 3 y 4 Mb). Medio siglo más tarde es habitual encontrar memorias externas para uso doméstico de 260 gramos con capacidad de almacenamiento de 1 terabyte (con capacidad para 250.000 canciones grabadas en mp3, unos dos años de escucha seguida). La reducción de tamaño mientras se aumentaba la velocidad de acceso a los datos ha sido espectacular, pero quizás no se pueda mantener por mucho más tiempo.
Algo similar ha sucedido con los procesadores gracias, en buena parte, el uso de nuevos materiales como el silicio, además de la reducción de escala. Ya lo vislumbró allá por el año 1965 el cofundador de Intel, Gordon Moore, al vaticinar que el número de transistores de un chip se duplicaría aproximadamente cada dos años, una regla que en términos generales se ha ido cumpliendo. Pero, ¿hasta cuándo podrá seguir manteniéndose este ritmo?
“Estamos llegando a los límites de la fabricación electrónica tradicional”, señalaba la coordinadora del trabajo, Sarah Staniland, en una nota distribuida por la Universidad de Leeds. “Las máquinas que hemos utilizado para construir los ordenadores son torpes a pequeña escala, pero la naturaleza nos ha proporcionado la herramienta perfecta para solucionar este problema”, indica.
Tras estudiar el proceso por el cual las bacterias generan minidiscos duros en su interior —especialmente cómo moldean y posicionan los minúsculos imanes en su organismo—, los científicos reprodujeron este método y lo aplicaron en el laboratorio, de forma que consiguieron recubrir una superficie con imanes similares en un trabajo publicado en la revista Small. “Si seguimos usando los procesos industriales actuales, que básicamente consisten en obtener pequeños imanes a partir de trocear uno de gran tamaño, nos será cada vez más difícil producirlos más diminutos y con el tamaño y forma que necesitaremos para almacenar datos”.
Hay cables biológicos similares a las conexiones eléctricas
La alternativa, para Johana Galloway, otra investigadora del equipo de Staniland, consiste en encargar este trabajo a las proteínas que se ocupan de ello en las Magnetospirillum magneticum y transforman el hierro en cubos magnéticos del mismo tamaño. Ya lo han conseguido, aunque aún queda trabajo. Especialmente en lo que se refiere a reducir el tamaño de los imanes.
También en Small, el mismo grupo —esta vez dirigidos por el equipo japonés—, ha publicado otro trabajo en el que se ha empleado otra proteína para desarrollar minicables eléctricos a través de nanotubos formados por lípidos. “En un futuro, podríamos conectarlos con otros componentes como parte de un ordenador biológico completo”, señala Masayoshi Tanaka, de la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio.
Los cables de origen biológicos son otro de los modelos de la naturaleza que los investigadores pretenden replicar y aplicar a la parcela de la nanobiotecnología. Antes del trabajo de Small publicado hace semanas, otra investigación de la Universidad Hebrea de Jerusalén ya sugirió esta posibilidad. El artículo, que reprodujo Cell en marzo del año pasado, planteaba un nuevo sistema de comunicación entre las bacterias. Más allá de relacionarse a través de la secreción y absorción de moléculas, se descubrió que las bacterias emplean nanotubos para conectarse entre sí y que les sirven para intercambiar pequeñas moléculas, proteínas o incluso pequeños fragmentos genéticos conocidos como plásmidos.
No fueron bacterias, sino levaduras, los microorganismos empleados por un grupo de estudiantes de dos universidades valencianas (la Universitat de València y la Politécnica) para crear una pantalla con la que alcanzaron el tercer puesto de un concurso sobre biología sintética (International Genetically Engineered Machines) organizado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts en 2009.
Los alumnos emplearon unas levaduras a las que les introdujeron en gen de la Aequiorina, una proteína con propiedades luminiscentes de las medusas. Estos microorganismos funcionaban como píxeles (la biopantalla tenía 96 cultivos celulares) que se encendían y apagaban para formar imágenes en respuesta a una señal eléctrica. Al recibir un impulso eléctrico, las levaduras abrían en sus membranas determinados canales que permitían la entrada en la célula de iones de calcio, que activaba la Aequoina y la emisión de luz.
Ya se trate de microimanes, nanocables o levaduras luminiscentes que funcionan como píxeles, la filosofía que subyace a todos estos casos es la misma: producir componentes hasta ahora elaborados de forma industrial a través de otros procesos con la ayuda o reproduciendo las estructuras de los microorganismos. Pero, en el fondo, se trata de copiar, de reproducir la estructura de los ordenadores actuales.
¿Tiene sentido competir con una industria que está consiguiendo buenos resultados no solo en cuanto al desarrollo de mayor capacidad de procesamiento, sino también a los costes del producto? ¿Merece la pena esforzarse en replicar una tecnología que ya funciona?
La bacteria ‘magnetospirillum magneticum’ hace minidiscos duros
Ricard Solé, director del laboratorio de sistemas complejos de la Universidad Pompeu Fabra (UPF), no lo tiene nada claro. “Nosotros trabajamos en una computación que no intenta copiar los ordenadores convencionales. En lugar de ello, tratamos de diseñar sistemas biológicos capaces de tomar decisiones”, explica a este diario desde el Instituto de Santa Fe de Estados Unidos, donde es profesor externo.
“¿Qué es un ordenador”, se pregunta Francesc Posas, director de la unidad de señalización celular de la UPF. “Básicamente, es un circuito que procesa la información que recibe en función de una programación preestablecida y, a partir de ahí, arroja un resultado”.
El equivalente en la computación biológica consistiría en contar con un sistema programable vivo (una comunidad de células) de tal forma que, al ser introducido en un organismo, fuera capaz de captar distintas señales (moléculas) y, en función de estos estímulos químicos, ejecutar las órdenes aprendidas (segregar otras moléculas, por ejemplo).
Esto ya se puede hacer, en cierta medida, a través de la ingeniería genética mediante la manipulación de células aisladas. Pero la computación biológica da un paso más al ser capaz de combinar células modificadas para que la respuesta de unas sean los estímulos de otras, creando una especie de circuito y complicando la capacidad de cálculo del sistema.
Posas y Soplé, ponen el ejemplo, aún en el terreno de las hipótesis, del tratamiento de la diabetes a través de esta fórmula. El páncreas de los pacientes afectados por esta enfermedad es incapaz de producir (al menos de forma suficiente) insulina, la hormona encargada de trasladar la glucosa a las células para que la usen como energía. Para evitar un exceso de glucosa en sangre, las personas con diabetes se inyectan insulina de forma periódica. Junto a esta hormona, existe otra, el glucagón, que eleva el nivel de glucosa en la sangre. Su secreción también está alterada en los pacientes diabéticos. Del equilibrio de ambas depende la presencia adecuada de glucosa.
“Podríamos crear un circuito celular que fuera capaz de captar la presencia de glucosa en sangre y, en función de esta información, que secretara glucagón o insulina para tratar a los diabéticos”. Se trataría, de esta forma, de una terapia inteligente autorregulable.
«No se trata de replicar ordenadores sino de programar sistemas vivos», dice un experto
Las células vivas, explica Ricard Solé, “han sido comparadas a menudo con un ordenador paralelo y, en muchos sentidos, rivalizan con el mayor supercomputador que exista en la actualidad. Es un ordenador peculiar, que detecta los cambios en el mundo en su superficie (en la membrana) y lleva a cabo los procesos de computación en su interior”, explica Ricard Solé. “Es un entorno fluido y muy ruidoso, pero con la ventaja de que las células son mucho más fiables que nuestros ordenadores y los fallos en las partes de la maquinaria molecular son rápidamente corregidos”.
Esta es la teoría, pero ¿se puede conseguir que varias células computen? “Sí, la cuestión es encontrar los límites de la complejidad de los procesos que pueden asumir”, responde Posas, una incógnita en la que se encuentra trabajando su equipo. Posas y Solé han demostrado que se pueden diseñar circuitos complejos de computación biológica usando como materia prima levaduras (organismos unicelulares) modificadas genéticamente. Lo hicieron en un trabajo publicado en Nature en 2011. Y demostraron que con tres células es posible construir computadoras biológicas que realicen más de cien funciones distintas.
“En electrónica es muy sencillo conectar transistores con cables eléctricos, en el mundo de la biología la información pasa de célula a célula segregando y detectando moléculas en el medio en el que se encuentran a través de la membrana. Ahora mismo estamos explorando los límites de la computación biológica”, explica.
Otro de los problemas a los que se enfrenta esta tecnología es su estabilidad. En el trabajo de Nature, coordinado por los dos investigadores de la Universitat Pompeu Fabra, los autores consiguieron que el sistema mantuviera el orden durante nueve generaciones de levaduras (36 horas). Tampoco están resueltos los potenciales riesgos de rechazo inmunitario de las células introducidas en pacientes con fines terapéuticos. En cualquier caso, son cuestiones que se deberán resolver cuando estas aplicaciones sean viables.
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