Yaakov Benenson y sus colaboradores del Instituto de Tecnología de Israel (Technion) han construido por primera vez un autómata finito programable basado en computación con moléculas de ADN (revista Nature del 22 de noviembre), que opera de forma completamente autónoma desde el principio hasta el final del cómputo. El autómata finito desarrollado tiene dos estados internos y opera con un alfabeto de dos símbolos. Los símbolos se codifican mediante trozos de 6 pares de bases (nucléotidos) y estos trozos se ensamblan para formar cadenas de longitud arbitraria. La tabla de reglas de transición del autómata se implanta mediante una selección adecuada de encimas (ligasas y nucleasas).

Benenson y sus colaboradores han puesto en funcionamiento un billón de autómatas, compartiendo las mismas reglas de transición, que han operado en paralelo e independientemente sobre distintas cadenas de ADN, realizando unas 109 transiciones por segundo, con una fiabilidad estimada para las transiciones superior al 99.8% y un consumo de energía inferior a una mil-millonésima de vatio. Conseguir un billón de cálculos en paralelo con un superordenador microelectrónico es muy costoso e involucra un un consumo energético infinitamente mayor.

Para la ejecución del autómata primero se prepara una cadena de ADN codificada con la entrada, se seleccionan las encimas de transición y se mezclan todas en una disolución a la que hay que añadir encimas especiales que facilitan la reacción. De esta forma se produce una cascada de ciclos de restricción, hibridación y ligado, que aplican todas y cada una de las reglas de transición del autómata a la molécula de entrada. El proceso acaba cuando se obtiene un símbolo de terminación, que se codifica mediante una cadena de ADN especial que tiende a acoplarse a una molécula marcadora que permite detectar fácilmente el final del cómputo. El resultado final es una nueva cadena de ADN, por lo que para observarlo hay que utilizar técnicas estándares de electroforesis (como las usadas en el Proyecto Genoma Humano).

Para manipular cadenas de ADN se utilizan tres tipos de encimas, las polimerasas que permiten sintetizar moléculas de ADN, las ligasas que unen entre sí trozos de moléculas de ADN y las nucleasas de restricción que rompen moléculas de ADN en fragmentos. La combinación de ligasas y nucleasas permite realizar manipulaciones con las moléculas de ADN de tipo "cortar y pegar". Actualmente se conocen más de 900 encimas de restricción. Desde 1968 se sabe que algunas nucleasas de restricción tienen un funcionamiento que depende de una secuencia específica de nucleóticos de ADN, denominada secuencia de reconocimiento. La nucleasa de restricción busca en la molécula de ADN su secuencia de reconocimiento particular, se enlaza con esta molécula de ADN y la rompe exactamente en dos trozos por un lugar que depende de su tipo. Esta propiedad es clave para la realización física de un autómata finito.

Francisco R. Villatoro

(Profesor Titular de la Universidad de Málaga)