Las moléculas se pueden utilizar para la informática.
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Una computadora química hecha a partir de una red de enzimas puede realizar una variedad de tareas, como medir temperaturas o identificar sustancias, sin necesidad de reconstruirla cada vez. Esto lo hace más parecido a un sistema biológico adaptativo que a un circuito digital, y ofrece la promesa de vincular las computadoras 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 mantenerse vivas. Durante décadas, los investigadores han intentado imitar esto de diversas maneras, como construyendo puertas lógicas a partir del ADN, pero la mayoría de estos sistemas artificiales han sido demasiado simples, demasiado rígidos o demasiado difíciles de escalar.
Ahora, Wilhelm Huck de la Universidad de 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 las entradas químicas.
La computadora del equipo utiliza siete tipos diferentes de enzimas cargadas en pequeñas perlas de hidrogel empaquetadas dentro de un pequeño tubo. Un líquido fluye a través de este tubo y se le pueden inyectar cadenas cortas de aminoácidos llamados péptidos, que sirven como “entrada” para la computadora. A medida que los péptidos pasan por las enzimas, cada enzima intenta naturalmente cortarlos en sitios específicos a lo largo de la cadena peptídica. Pero una vez que una enzima hace un corte, la forma del péptido y los sitios de corte disponibles cambian, lo que puede abrir o bloquear oportunidades para las otras enzimas.
Debido a que una reacción puede alimentar 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 los péptidos como software. [that] resuelve nuevos problemas dependiendo de los insumos”, dice Dongyang Li del Instituto de Tecnología de California, que no participó en el trabajo.
Por ejemplo, la temperatura afecta la rapidez con la que funciona cada enzima; a temperaturas más altas, algunas enzimas se aceleran más que otras, cambiando la mezcla de fragmentos de péptidos en la salida del sistema. Al analizar estos fragmentos de péptidos utilizando un algoritmo de aprendizaje automático, los investigadores pudieron vincular estos patrones de fragmentos con temperaturas específicas.
Debido a que diferentes reacciones químicas ocurren en distintas escalas de tiempo, el sistema naturalmente retiene una especie de “memoria” de señales pasadas, lo que le permite reconocer patrones que se desarrollan a lo largo del tiempo. Por ejemplo, podría distinguir entre pulsos de luz rápidos y lentos, lo que significa que no solo reacciona a las entradas, sino que también rastrea cómo cambian.
El resultado no es un circuito químico estático, sino más bien una computadora química dinámica y multitarea que procesa señales como un sistema vivo. “La misma red manejó múltiples tareas (clasificación química, detección de temperatura con un error promedio de ~1,3 °C entre 25 °C y 55 °C, clasificación del pH e incluso respuesta a la periodicidad de los pulsos de luz) sin rediseñar la química”, dice Li.
Los investigadores se sorprendieron por lo bien que funcionó la computadora, dado su pequeño tamaño, y Huck dice que espera que algún día se pueda usar un sistema más avanzado para traducir señales ópticas o eléctricas directamente en químicas, permitiéndole responder de la misma manera que lo hacen las células vivas. “Sólo utilizamos seis o siete enzimas y seis péptidos”, afirma. “Imagínate lo que puedes hacer con cien enzimas”.
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