Tema II: Estructura del ADN. Los experimentos de Adleman y de Lipton

Transcripción

1 Tema II: Estructura del ADN. Los experimentos de Adleman y de Lipton Mario de J. érez Jiménez Grupo de Investigación en Computación Natural Dpto. Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial Universidad de Sevilla marper@us.es

2 orqué se necesitan modelos de computación no convencionales? Necesidad de mejorar cuantitativamente la resolución de problemas computacionalmente duros. Moléculas de ADN: Codifican la información genética de los seres vivos. Tecnología avanzada para su manipulación. Soporte físico para realizar computaciones.

3 Cromosomas: Descritos por Holfmeister, 1848 Codifican la información genética (rincipios del s. XX) roteínas + ADN (Claude, orter, 1943 y Mirsky, 1947). ADN (J. Watson y F. Crick, ) Descifran la estructura. Descubren el principio de complementariedad. Demuestran que las moléculas de ADN codifican toda la información genética. Justifican el uso de ciertas técnicas para su manipulación.

4 Estructura del ADN ADN: poĺımero que, en su estructura lineal, consta de una serie de monómeros (nucleótidos). Cada nucleótido consta de: Un azúcar (desoxirribosa). Un grupo fosfato (). Una base nitrogenada. 4

5 Tipos de enlaces: fosfodiester y de hidrógeno. Enlace fosfodiester: cadenas simples (polaridad)

6 Enlace de hidrógeno: A T y C G. Enlaces fosfodiester + enlaces de hidrógeno= cadenas dobles (estructura de doble hélice)

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8 Estructura helicoidal de una molécula de ADN

9 Estructura de datos: moléculas de ADN Operaciones con moléculas de ADN: Desnaturalización. Renaturalización. Medida de la longitud. Extracción. Alargar (Enzima olimerasa). Síntesis. Cortar (Enzima Nucleasa). Empastar (Enzima Ligasa). Alterar. CR. Lectura.

10 El experimento de L. Adleman Noviembre de 1994: resolución molecular de una instancia del problema del camino hamiltoniano, en su versión dirigida y con dos nodos distinguidos Grafo usado en el experimento de Adleman

11 Este experimento: rimer ejemplo de computación a nivel molecular. Nuevas perspectivas de las moléculas de ADN como estructura de datos peculiares. osibilidad de usar el ADN para resolver instancias de problemas computacionalmente intratables. Capacidad del ADN para simular computaciones de forma masivamente paralela.

12 Implementación en el laboratorio del algoritmo Entrada: G = (V, E); v i y v f V Generar todos los caminos de G. Rechazar caminos que no empiezan por v i y terminan en v f. Rechazar caminos que no contienen exactamente V nodos. ara cada u V, rechazar caminos que no contienen u. Salida: SI, si queda algún camino; NO caso contrario.

13 reparación del tubo de ensayo inicial A cada i (0 i 6) se le asocia un oligo de longitud 20 mer. Notaremos s i = s i s i, en donde s i = s i = 10. si s i si A cada arco (i, j) E se le asocia el oligo 8 s i >< s j si i 0 j 6 s 0s j si i = 0 j 6 e ij = s i >: s 6 si i 0 j = 6 s 0s 6 si i = 0 j = 6 Se codifican caminos mediante doble hebras de ADN (usando oligos s i ). Ejemplo: s s s s s 4 Camino 3 4 1

14 Consideraciones acerca del experimento de Adleman rocedimiento basado en filtrados. Ejecución simultánea de operaciones moleculares. Tubo inicial: número exponencial de cadenas. Número de operaciones moleculares: lineal. Aparecen errores que pueden ser controlados. oneh, Dunworth y Lipton (1995): hasta moléculas de ADN se pueden procesar. Ventajas potenciales: Velocidad de cálculo: versus Consumo de energía: versus 10 9 Densidad de información: 1 bit por nm 3 versus 1 bit por nm 3. Nacimiento de la computación ADN. No proporciona un esquema algorítmico.

15 Experimento de Lipton Abril 1995: R.J. Lipton resuelve una instancia del problema SAT. Sea ϕ c 1... c p con c i = l i,1... l i,ri, y conjunto de variables Var(ϕ) = {x 1,..., x n}. Se le asocia un grafo dirigido 1 1 x x2 x3 x n-1 x n a a a a.... an-1 a a n n+1 0 x1 0 0 x 2 x x n-1 x n Grafo dirigido asociado a una fórmula proposicional con n variables Existen 2 n caminos desde a 1 hasta a n+1. Existe una biyección entre el conjunto de caminos y las valoraciones relevantes para ϕ.

16 Usa las ideas de Adleman. rocedimiento basado en filtrados rimer esquema algorítmico molecular. Entrada: T 0 para i 1 hasta p hacer T 1 T 0; T 0 para j 1 hasta r i hacer T +(T 1, l 1 i,j) i,j) T 1 (T 1, l 1 T 0 T 0 T Detectar(T 0)