computaciÓn celular

COMPUTACIÓN COMPUTACIÓN CELULARCELULAR

Bio-Informática (5ºI.I.)Bio-Informática (5ºI.I.)Curso 07-08Curso 07-08

Por:Por: Fº Javier Conejero Bañón Fº Javier Conejero Bañón

ÍndiceÍndice

IntroducciónIntroducciónHistoriaHistoriaComputación celularComputación celularDesarrollo de computadores a nanoescalaDesarrollo de computadores a nanoescalaEvaluador lógico universalEvaluador lógico universalSimilitudes con FPGAsSimilitudes con FPGAsConclusiónConclusiónBibliografiaBibliografia

IntroducciónIntroducción

Computación:Computación:El concepto "Computación" refiere al estudio El concepto "Computación" refiere al estudio

científico que se desarrolla sobre sistemas científico que se desarrolla sobre sistemas automatizados de manejo de informaciones, lo automatizados de manejo de informaciones, lo cual se lleva a cabo a través de herramientas cual se lleva a cabo a través de herramientas pensadas para tal propósito.pensadas para tal propósito.

Bio-Computación:Bio-Computación:Desarrollo y utilización de sistemas Desarrollo y utilización de sistemas

computacionales basados en modelos y computacionales basados en modelos y materiales biológicos (biochips, biosensores, materiales biológicos (biochips, biosensores, computación basada en ADN, entre otros). computación basada en ADN, entre otros).

IntroducciónIntroducción

La computación celular pretende la construcción La computación celular pretende la construcción de nanocomputadores, utilizando para ello de nanocomputadores, utilizando para ello células (en este caso células de mamíferos). células (en este caso células de mamíferos). Aprovechando los métodos de modificación de Aprovechando los métodos de modificación de ADN que existen en la actualidad.ADN que existen en la actualidad.

HistoriaHistoria 1994 –1994 – Leonard Aldeman inventa un Leonard Aldeman inventa un

computador ADN capaz de resolver problemas computador ADN capaz de resolver problemas matemáticos básicos.matemáticos básicos.

2003 –2003 – Ehud Shapiro desarrolla un proceso Ehud Shapiro desarrolla un proceso por el cual las enzimas Fork-I y Ligasa cortan por el cual las enzimas Fork-I y Ligasa cortan ADN en diferentes longitudes basado en la ADN en diferentes longitudes basado en la presencia de diferentes sustancias químicas.presencia de diferentes sustancias químicas.

2007 –2007 – Yaakov Benenson y su equipo de Yaakov Benenson y su equipo de trabajo desarrollan un sistema para construir trabajo desarrollan un sistema para construir evaluadores lógicos basados en RNAi evaluadores lógicos basados en RNAi universales que operan en células de universales que operan en células de mamíferos.mamíferos.

Historia – Previsiones FuturasHistoria – Previsiones Futuras

Computación CelularComputación Celular

Fundamentalmente, la computación con Fundamentalmente, la computación con ADN pone de manifiesto que las células ADN pone de manifiesto que las células humanas y los computadores tienen la humanas y los computadores tienen la capacidad de almacenar y procesar la capacidad de almacenar y procesar la información de manera similar. Los información de manera similar. Los computadores almacenan la información en computadores almacenan la información en series de unos y ceros, y el ADN lo hace en series de unos y ceros, y el ADN lo hace en función de la colocación de sus bases (adenina, función de la colocación de sus bases (adenina, guanina, timina y citosina). Como se observa en guanina, timina y citosina). Como se observa en la siguiente imagen: la siguiente imagen:

Computación celularComputación celular

Computación celularComputación celular

Razones para su uso:Razones para su uso:El ADN puede replicarse extremadamente rápido y El ADN puede replicarse extremadamente rápido y

eficientementeeficientementeCapacidad inmensa de memoria, Capacidad inmensa de memoria,

aproximadamente 100 veces mayor que los aproximadamente 100 veces mayor que los computadores de hace dos décadas.computadores de hace dos décadas.

Estos enormes almacenes de información se Estos enormes almacenes de información se contienen en un volumen muy pequeño (15 mil contienen en un volumen muy pequeño (15 mil trillones de computadoras en una cucharada). trillones de computadoras en una cucharada).

Magnifica habilidad para procesar varios cálculos Magnifica habilidad para procesar varios cálculos paralelamente. (casi 109 cálculos por mL de ADN paralelamente. (casi 109 cálculos por mL de ADN por segundo.por segundo.

Desarrollo de computadores a Desarrollo de computadores a nanoescalananoescala

Tipos de manipulaciones moleculares Tipos de manipulaciones moleculares básicas para computación ADN:básicas para computación ADN:

Hibridación simple:Hibridación simple: Es la forma básica de la Es la forma básica de la actividad del ADN. Fusión de dos células de actividad del ADN. Fusión de dos células de distinta estirpe para dar lugar a otra de distinta estirpe para dar lugar a otra de características mixtas.características mixtas.

Tratamiento enzimático:Tratamiento enzimático: Es la manera de operar Es la manera de operar con diferentes formas de ADN.con diferentes formas de ADN.

Desarrollo de computadores a Desarrollo de computadores a nanoescalananoescala

Unidades básicas:Unidades básicas:Unidad Adleman.Unidad Adleman.Unidad Rothemund-Shapiro.Unidad Rothemund-Shapiro.Unidad Tiling.Unidad Tiling.Unidad Ribozima.Unidad Ribozima.Unidad Paun.Unidad Paun.

Evaluador lógico universalEvaluador lógico universal

Un autómata molecular es un sistema molecular Un autómata molecular es un sistema molecular manipulado unido a un entorno (bio) molecular por “el manipulado unido a un entorno (bio) molecular por “el flujo de mensajes de entrada y las acciones de los flujo de mensajes de entrada y las acciones de los mensajes de salida”, donde los mensajes de entrada son mensajes de salida”, donde los mensajes de entrada son procesados por un “conjunto de elementos intermedio”, procesados por un “conjunto de elementos intermedio”, esto es, un computador.esto es, un computador.


Primera aproximación:Primera aproximación:Consistente en ser muy estricto con los módulos básicos, e Consistente en ser muy estricto con los módulos básicos, e

interconectándolos de manera menos estricta.interconectándolos de manera menos estricta.

MóduloBásico

MóduloBásico

SALIDA TRUEGLOBAL

SALIDA TRUEGLOBAL

Evaluador lógico universalEvaluador lógico universal Construcción de una puerta OR:Construcción de una puerta OR:

Evaluador lógico universalEvaluador lógico universal Construcción de una puerta AND:Construcción de una puerta AND:

Evaluador lógico universalEvaluador lógico universal Construcción de una puerta NOT:Construcción de una puerta NOT:

Evaluador lógico universalEvaluador lógico universal Construcción de una expresión lógica simple:Construcción de una expresión lógica simple:


Segunda aproximaciónSegunda aproximaciónConsiste en ser menos estricto en los módulos Consiste en ser menos estricto en los módulos

básicos, pero poner exigencias estrictas en la combinación de básicos, pero poner exigencias estrictas en la combinación de módulosmódulos

LA SEGUNDA APROXIMACION SE AJUSTA A CNF Y LA OTRA A DNFLA SEGUNDA APROXIMACION SE AJUSTA A CNF Y LA OTRA A DNF

MóduloBásico

MóduloBásico

AL MENOS UNA ENTRADA

TRUE

Evaluador lógico universalEvaluador lógico universal Para esta experimentación se eligieron derivativos de Para esta experimentación se eligieron derivativos de

conocidos siRNAs, y se construyeron cinco parejas de conocidos siRNAs, y se construyeron cinco parejas de cadenas siRNA en secuencias publicadas de genes no cadenas siRNA en secuencias publicadas de genes no pertenecientes a mamíferos para representar hasta pertenecientes a mamíferos para representar hasta cinco entradas:cinco entradas:

T1 de Renilla reniformisT1 de Renilla reniformis

FF3 de Firefly luciferasesFF3 de Firefly luciferases

SI 4 de Enhanced green fluorescent protein (eGFP)SI 4 de Enhanced green fluorescent protein (eGFP)


D = siRNA D = siRNA Firefly luciferases. Firefly luciferases.E = siRNA E = siRNA Renilla reniformis. Renilla reniformis.

Graficamente: eGFP Graficamente: eGFP

Similitudes con FPGAsSimilitudes con FPGAs

Teóricamente, estos computadores Teóricamente, estos computadores celulares se ajustan a una máquina de celulares se ajustan a una máquina de Turing.Turing.

A la vista del comportamiento es más A la vista del comportamiento es más obvia su semejanza con las FPGAs (Field obvia su semejanza con las FPGAs (Field Programable Gate Arrays).Programable Gate Arrays).


Es fácil identificar cada uno de estos Es fácil identificar cada uno de estos nanocomputadores, con la tecnología nanocomputadores, con la tecnología empleada en la fabricación de FPGAs. empleada en la fabricación de FPGAs. Dado el paralelismo que se desprende Dado el paralelismo que se desprende entre ambas se observa que la entre ambas se observa que la computación celular es un acercamiento a computación celular es un acercamiento a las FPGAs, ya que lo que en una FPGA las FPGAs, ya que lo que en una FPGA es un bloque lógico básico, podría ser una es un bloque lógico básico, podría ser una célula y por tanto un sistema pluricelular célula y por tanto un sistema pluricelular podría identificarse con una FPGA. podría identificarse con una FPGA.


Una FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array) es un Una FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array) es un dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad se puede programar. interconexión y funcionalidad se puede programar.

ConclusiónConclusión

Uno de los motivos más importantes Uno de los motivos más importantes por los que se está investigando este por los que se está investigando este campo de la computación es en llegar campo de la computación es en llegar algún día a conseguir construir un sistema algún día a conseguir construir un sistema de monitorización del cuerpo humano en de monitorización del cuerpo humano en tiempo real:tiempo real:

Pero esto es algo que todavía está muy lejos de ser real.

BibliografíaBibliografía Nature Biotechnology. Mayo 2007. Letter: A universal RNAi-based Nature Biotechnology. Mayo 2007. Letter: A universal RNAi-based

logic evaluator that operates in mammalian cells.logic evaluator that operates in mammalian cells. ChemMatters: Cellular Silicon, a medical revolution.ChemMatters: Cellular Silicon, a medical revolution. Current Nanoscience, 2005. Development of Nano-Scale DNA Current Nanoscience, 2005. Development of Nano-Scale DNA

Computing Devices.Computing Devices. Nature Biotechnology. Volume 24, number 09 September 2006. Nature Biotechnology. Volume 24, number 09 September 2006.

Biotechnology in Spain: Special repport.Biotechnology in Spain: Special repport. Medical Dictionary: Medterms dictionary: Medical Dictionary: Medterms dictionary:

http://www.medterms.com/script/main/hp.asphttp://www.medterms.com/script/main/hp.asp Medical Dictionary: Merrian Webster medical dictionary: Medical Dictionary: Merrian Webster medical dictionary:

http://www.intelihealth.com/IH/ihtIH/WSIHW000/9276/9276.htmlhttp://www.intelihealth.com/IH/ihtIH/WSIHW000/9276/9276.html Wikipedia, entrada Biotecnologia. (Definición).Wikipedia, entrada Biotecnologia. (Definición). Technology review. October 2004. Technology review. October 2004. www.technologyreview.comwww.technologyreview.com Wikipedia, entrada FPGAWikipedia, entrada FPGA http://www.eecg.toronto.edu/~vaughn/challenge/fpga_arch.htmlhttp://www.eecg.toronto.edu/~vaughn/challenge/fpga_arch.html

FinFin

¿Preguntas?¿Preguntas?

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