Biocomputación extracelular para nanorrobots médicos

La realización de cálculos utilizando biomoléculas dentro de células es una rama de la ciencia muy prometedora que se está desarrollando rápidamente. En ese escenario, la biocomputación suele valerse de mecanismos celulares naturales. Es mucho más difícil, sin embargo, realizar cálculos fuera de las células, donde no existen estructuras naturales que puedan ayudar a llevarlos a cabo de manera viable. Un nuevo estudio se centra específicamente en la biocomputación extracelular.

Maxim Nikitin, del Instituto de Física y Tecnología de Moscú en Rusia, y otros científicos de instituciones rusas, han dado un importante paso hacia la creación de nanorrobots médicos. Descubrieron una forma de permitir que partículas nanométricas y micrométricas  produzcan cálculos lógicos usando una serie de reacciones bioquímicas.

En los circuitos electrónicos, los operadores lógicos utilizan corriente eléctrica.  Si hay corriente (o voltaje), el resultado es 1, sino es 0. En la computación que utiliza biomoléculas, el resultado puede ser una sustancia dada. Por ejemplo, las técnicas de bioingeniería modernas permiten hacer que una célula se ilumine con diferentes colores (fruto de sustancias químicas distintas), o incluso programarla para que muera, enlazando el inicio de la apoptosis al resultado de operaciones binarias.

Muchos científicos creen que las operaciones lógicas en el interior de células o en sistemas biomoleculares artificiales son una forma de controlar procesos biológicos y de crear micro y nanorrobots completos que puedan, por ejemplo, suministrar fármacos de forma programada a aquellos tejidos donde se les necesite.

La línea de investigación y desarrollo del equipo de Nikitin abre el camino hacia una serie de tecnologías biomédicas y difiere de forma notable de trabajos anteriores sobre biocomputación, que se centran tanto en el exterior como en el interior de las células. Científicos de todo el globo han estado investigando operaciones binarias en ADN, ARN y proteínas durante al menos una década, pero Nikitin y sus colegas fueron los primeros en proponer y confirmar experimentalmente un método para transformar casi cualquier tipo de nanopartícula o micropartícula en estructuras autónomas de biocomputación que sean capaces de implementar un grupo funcionalmente completo de puertas lógicas booleanas (operadores lógicos YES, NOT, AND y OR; sí, no, y, o) y de enlazarse a un blanco específico (como una célula) como resultado de un cómputo. Este método permite una conexión selectiva a células objetivo, además de representar una nueva plataforma para analizar sangre y otros materiales biológicos.

La realización de cálculos utilizando biomoléculas naturales dentro de células es una rama muy prometedora de la ciencia que se está desarrollando rápidamente. Es mucho más difícil, sin embargo, realizar cálculos fuera de las células, donde no existen estructuras naturales que puedan ayudar a llevarlos a cabo de manera viable. (Imagen: Amazings / NCYT / JMC)

Para los enlaces con las nanopartículas, los investigadores seleccionaron anticuerpos. Esto también distingue su proyecto de una serie de desarrollos experimentales anteriores en biocomputación, que utilizan ADN o ARN para operaciones lógicas. Estas proteínas naturales del sistema inmunitario tienen una región activa pequeña, que responde solo a ciertas moléculas; el cuerpo se vale de la elevada selectividad de los anticuerpos para reconocer y neutralizar bacterias y otros patógenos.

Asegurándose de que la combinación de diferentes tipos de nanopartículas y anticuerpos hace posible implementar varios tipos de operaciones lógicas, los investigadores han mostrado que las células cancerosas pueden ser también usadas específicamente como blanco. El equipo obtuvo no simplemente nanopartículas que pueden unirse a ciertos tipos de células, sino partículas que buscan células objetivo cuando se cumplen dos condiciones simultáneas, o cuando dos moléculas diferentes están presentes o ausentes. Este control adicional puede ser muy útil para una destrucción de células cancerosas más precisa, con un impacto mínimo sobre tejidos y órganos sanos.

Aunque este es solo un pequeño paso hacia la creación de nanobiorrobots eficientes, esta área de la ciencia abre perspectivas muy prometedoras, en lo que algunos comparan con la creación de los primeros diodos y transistores, que resultaron en el rápido desarrollo de los ordenadores electrónicos.

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