D¨¦jese de ordenadores y utilice bacterias

Hay investigadores que creen que la miniaturizaci¨®n de los componentes electr¨®nicos de los ordenadores llegar¨¢ a un punto en el que, al alcanzar determinados l¨ªmites f¨ªsicos, ser¨¢ imposible bajar m¨¢s de escala. Y que ese d¨ªa est¨¢ m¨¢s cerca que lejos. Entonces, habr¨¢ 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 cient¨ªficos 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 ¨²ltimas d¨¦cadas, 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 dise?adas por nosotros¡±, explica. Por ejemplo, c¨¦lulas o sistemas de c¨¦lulas.

Unos y otros investigadores trabajan para avanzar en lo que, desde distintos puntos de vista, se podr¨ªan denominar ordenadores biol¨®gicos.

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 c¨¢lculo, se encuentran los investigadores brit¨¢nicos y japoneses que hace unos meses presentaron a unas bacterias con propiedades magn¨¦ticas como punto de partida para desarrollar una alternativa microsc¨®pica de futuro a los discos duros actuales. Cient¨ªficos de la Universidad de Leeds en colaboraci¨®n con un equipo de la Universidad de Agricultura y Tecnolog¨ªa de Tokio se fijaron en la bacteria Magnetospitillium magneticum, cuyo h¨¢bitat natural se encuentra en lagunas donde el ox¨ªgeno es escaso.

Cuando estos microbios comen hierro, unas prote¨ªnas que tienen en su interior crean min¨²sculos cristales de magnetita, el mineral m¨¢s magn¨¦tico que existe. El resultado es una especie de superficie imantada similar a la de los discos duros de los ordenadores.

La carrera de la nanotecnolog¨ªa tiene unos l¨ªmites f¨ªsicos

Este componente destinado a albergar la memoria permanente de la computadora (frente a la memoria RAM, temporal) es uno de los que m¨¢s espacio f¨ªsico ocupan en el interior de la caja del ordenador. El primer disco duro, creado por el gigante inform¨¢tico IBM en 1954 pesaba una tonelada y pod¨ªa almacenar 5 megabytes (Mb) de informaci¨®n (una canci¨®n de unos cuatro minutos grabada a calidad media en formato mp3 ocupa entre 3 y 4 Mb). Medio siglo m¨¢s tarde es habitual encontrar memorias externas para uso dom¨¦stico de 260 gramos con capacidad de almacenamiento de 1 terabyte (con capacidad para 250.000 canciones grabadas en mp3, unos dos a?os de escucha seguida). La reducci¨®n de tama?o mientras se aumentaba la velocidad de acceso a los datos ha sido espectacular, pero quiz¨¢s no se pueda mantener por mucho m¨¢s tiempo.

Algo similar ha sucedido con los procesadores gracias, en buena parte, el uso de nuevos materiales como el silicio, adem¨¢s de la reducci¨®n de escala. Ya lo vislumbr¨® all¨¢ por el a?o 1965 el cofundador de Intel, Gordon Moore, al vaticinar que el n¨²mero de transistores de un chip se duplicar¨ªa aproximadamente cada dos a?os, una regla que en t¨¦rminos generales se ha ido cumpliendo. Pero, ?hasta cu¨¢ndo podr¨¢ seguir manteni¨¦ndose este ritmo?

¡°Estamos llegando a los l¨ªmites de la fabricaci¨®n electr¨®nica tradicional¡±, se?alaba la coordinadora del trabajo, Sarah Staniland, en una nota distribuida por la Universidad de Leeds. ¡°Las m¨¢quinas que hemos utilizado para construir los ordenadores son torpes a peque?a 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 ¡ªespecialmente c¨®mo moldean y posicionan los min¨²sculos imanes en su organismo¡ª, los cient¨ªficos reprodujeron este m¨¦todo 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 b¨¢sicamente consisten en obtener peque?os imanes a partir de trocear uno de gran tama?o, nos ser¨¢ cada vez m¨¢s dif¨ªcil producirlos m¨¢s diminutos y con el tama?o y forma que necesitaremos para almacenar datos¡±.

Hay cables biol¨®gicos similares a las conexiones el¨¦ctricas

La alternativa, para Johana Galloway, otra investigadora del equipo de Staniland, consiste en encargar este trabajo a las prote¨ªnas que se ocupan de ello en las Magnetospirillum magneticum y transforman el hierro en cubos magn¨¦ticos del mismo tama?o. Ya lo han conseguido, aunque a¨²n queda trabajo. Especialmente en lo que se refiere a reducir el tama?o de los imanes.

Tambi¨¦n en Small, el mismo grupo ¡ªesta vez dirigidos por el equipo japon¨¦s¡ª, ha publicado otro trabajo en el que se ha empleado otra prote¨ªna para desarrollar minicables el¨¦ctricos a trav¨¦s de nanotubos formados por l¨ªpidos. ¡°En un futuro, podr¨ªamos conectarlos con otros componentes como parte de un ordenador biol¨®gico completo¡±, se?ala Masayoshi Tanaka, de la Universidad de Agricultura y Tecnolog¨ªa de Tokio.

Los cables de origen biol¨®gicos son otro de los modelos de la naturaleza que los investigadores pretenden replicar y aplicar a la parcela de la nanobiotecnolog¨ªa. Antes del trabajo de Small publicado hace semanas, otra investigaci¨®n de la Universidad Hebrea de Jerusal¨¦n ya sugiri¨® esta posibilidad. El art¨ªculo, que reprodujo Cell en marzo del a?o pasado, planteaba un nuevo sistema de comunicaci¨®n entre las bacterias. M¨¢s all¨¢ de relacionarse a trav¨¦s de la secreci¨®n y absorci¨®n de mol¨¦culas, se descubri¨® que las bacterias emplean nanotubos para conectarse entre s¨ª y que les sirven para intercambiar peque?as mol¨¦culas, prote¨ªnas o incluso peque?os fragmentos gen¨¦ticos conocidos como pl¨¢smidos.

No fueron bacterias, sino levaduras, los microorganismos empleados por un grupo de estudiantes de dos universidades valencianas (la Universitat de Val¨¨ncia y la Polit¨¦cnica) para crear una pantalla con la que alcanzaron el tercer puesto de un concurso sobre biolog¨ªa sint¨¦tica (International Genetically Engineered Machines) organizado por el Instituto Tecnol¨®gico de Massachusetts en 2009.

Los alumnos emplearon unas levaduras a las que les introdujeron en gen de la Aequiorina, una prote¨ªna con propiedades luminiscentes de las medusas. Estos microorganismos funcionaban como p¨ªxeles (la biopantalla ten¨ªa 96 cultivos celulares) que se encend¨ªan y apagaban para formar im¨¢genes en respuesta a una se?al el¨¦ctrica. Al recibir un impulso el¨¦ctrico, las levaduras abr¨ªan en sus membranas determinados canales que permit¨ªan la entrada en la c¨¦lula de iones de calcio, que activaba la Aequoina y la emisi¨®n de luz.

Ya se trate de microimanes, nanocables o levaduras luminiscentes que funcionan como p¨ªxeles, la filosof¨ªa que subyace a todos estos casos es la misma: producir componentes hasta ahora elaborados de forma industrial a trav¨¦s 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 est¨¢ consiguiendo buenos resultados no solo en cuanto al desarrollo de mayor capacidad de procesamiento, sino tambi¨¦n a los costes del producto? ?Merece la pena esforzarse en replicar una tecnolog¨ªa que ya funciona?

La bacteria 'magnetospirillum magneticum' hace minidiscos duros

Ricard Sol¨¦, director del laboratorio de sistemas complejos de la Universidad Pompeu Fabra (UPF), no lo tiene nada claro. ¡°Nosotros trabajamos en una computaci¨®n que no intenta copiar los ordenadores convencionales. En lugar de ello, tratamos de dise?ar sistemas biol¨®gicos capaces de tomar decisiones¡±, explica a este diario desde el Instituto de Santa Fe de Estados Unidos, donde es profesor externo.

¡°?Qu¨¦ es un ordenador¡±, se pregunta Francesc Posas, director de la unidad de se?alizaci¨®n celular de la UPF. ¡°B¨¢sicamente, es un circuito que procesa la informaci¨®n que recibe en funci¨®n de una programaci¨®n preestablecida y, a partir de ah¨ª, arroja un resultado¡±.

El equivalente en la computaci¨®n biol¨®gica consistir¨ªa en contar con un sistema programable vivo (una comunidad de c¨¦lulas) de tal forma que, al ser introducido en un organismo, fuera capaz de captar distintas se?ales (mol¨¦culas) y, en funci¨®n de estos est¨ªmulos qu¨ªmicos, ejecutar las ¨®rdenes aprendidas (segregar otras mol¨¦culas, por ejemplo).

Esto ya se puede hacer, en cierta medida, a trav¨¦s de la ingenier¨ªa gen¨¦tica mediante la manipulaci¨®n de c¨¦lulas aisladas. Pero la computaci¨®n biol¨®gica da un paso m¨¢s al ser capaz de combinar c¨¦lulas modificadas para que la respuesta de unas sean los est¨ªmulos de otras, creando una especie de circuito y complicando la capacidad de c¨¢lculo del sistema.

Posas y Sopl¨¦, ponen el ejemplo, a¨²n en el terreno de las hip¨®tesis, del tratamiento de la diabetes a trav¨¦s de esta f¨®rmula. El p¨¢ncreas 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 c¨¦lulas para que la usen como energ¨ªa. Para evitar un exceso de glucosa en sangre, las personas con diabetes se inyectan insulina de forma peri¨®dica. Junto a esta hormona, existe otra, el glucag¨®n, que eleva el nivel de glucosa en la sangre. Su secreci¨®n tambi¨¦n est¨¢ alterada en los pacientes diab¨¦ticos. Del equilibrio de ambas depende la presencia adecuada de glucosa.

¡°Podr¨ªamos crear un circuito celular que fuera capaz de captar la presencia de glucosa en sangre y, en funci¨®n de esta informaci¨®n, que secretara glucag¨®n o insulina para tratar a los diab¨¦ticos¡±. Se tratar¨ªa, de esta forma, de una terapia inteligente autorregulable.

"No se trata de replicar ordenadores sino de programar sistemas vivos", dice un experto

Las c¨¦lulas vivas, explica Ricard Sol¨¦, ¡°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 computaci¨®n en su interior¡±, explica Ricard Sol¨¦. ¡°Es un entorno fluido y muy ruidoso, pero con la ventaja de que las c¨¦lulas son mucho m¨¢s fiables que nuestros ordenadores y los fallos en las partes de la maquinaria molecular son r¨¢pidamente corregidos¡±.

Esta es la teor¨ªa, pero ?se puede conseguir que varias c¨¦lulas computen? ¡°S¨ª, la cuesti¨®n es encontrar los l¨ªmites de la complejidad de los procesos que pueden asumir¡±, responde Posas, una inc¨®gnita en la que se encuentra trabajando su equipo. Posas y Sol¨¦ han demostrado que se pueden dise?ar circuitos complejos de computaci¨®n biol¨®gica usando como materia prima levaduras (organismos unicelulares) modificadas gen¨¦ticamente. Lo hicieron en un trabajo publicado en Nature en 2011. Y demostraron que con tres c¨¦lulas es posible construir computadoras biol¨®gicas que realicen m¨¢s de cien funciones distintas.

¡°En electr¨®nica es muy sencillo conectar transistores con cables el¨¦ctricos, en el mundo de la biolog¨ªa la informaci¨®n pasa de c¨¦lula a c¨¦lula segregando y detectando mol¨¦culas en el medio en el que se encuentran a trav¨¦s de la membrana. Ahora mismo estamos explorando los l¨ªmites de la computaci¨®n biol¨®gica¡±, explica.

Otro de los problemas a los que se enfrenta esta tecnolog¨ªa 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 est¨¢n resueltos los potenciales riesgos de rechazo inmunitario de las c¨¦lulas introducidas en pacientes con fines terap¨¦uticos. En cualquier caso, son cuestiones que se deber¨¢n resolver cuando estas aplicaciones sean viables.