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1 Inteligencia artificial

2 COMPUTACIÓN COMPUTACIÓN MOLECULAR MOLECULAR O O BASADA BASADA EN EN ADN ADN

3 Introducción En los últimos años se ha sugerido y mostrado que computadores basados en interacciones a nivel molecular (con ADN y cuánticos) pueden ser una alternativa viable a computadores electrónicos convencionales.

4 Existen problemas que requieren una búsqueda intensiva de alternativas para su solución y que no son eficientemente resueltos por los computadores digitales. Los computadores moleculares se muestran más adecuados para la resolución eficiente de dichos problemas debido a su capacidad de trabajo en paralelo.

5 En la computación con ADN, el paralelismo reside en el hecho de que las moléculas de ADN pueden operar simultáneamente como enzimas y/o pegantes para la resolución de ciertos problemas complejos. En el computador molecular las operaciones básicas se desarrollan químicamente y no electrónicamente. Brinda la posibilidad de almacenar y manipular altos volúmenes de información que no pueden hacer los computadores actuales.

6 Biocomputación Definición. Desarrollo y utilización de sistemas computacionales basados en modelos y materiales biológicos (Biochips, biosensores, computación basada en ADN, redes de neuronas, algoritmos genéticos). Aplicación de los procesos biológicos y químicos en la computación.

7 La bioinformática, la computación evolutiva, molecular o basada en ADN, han permitido grandes avances en las ciencias biológicas y en el tratamiento de la información. La computación con ADN es el resultado de nuevos paradigmas que contemplan nanomáquinas naturales como modelos de almacenamiento y procesamiento de información. Se presentan los fundamentos teóricos, metodológicos y las aplicaciones de esta tecnología en la resolución de problemas complejos como el Camino Hamiltoniano.

8 La Célula una Máquina a imitar

9 Nociones básicas de ADN El ADN es la estructura química que guarda y organiza en los núcleos de las células la información del código genético. Tiene la clásica forma de una escalera de cuerdas torcidas en espiral, la llamada doble hélice descrita por Watson y Crick en El ADN está compuesto de subunidades llamadas nucleótidos que están atados juntos en cadenas de polímeros. Las cadenas de polímeros son llamadas cadenas de ADN.

10 Un cromosoma es una molécula de ADN muy larga que contiene una serie de genes.

11 Hay cuatro clases de Nucleótidos en el ADN, distinguidos por el grupo químico, o base, pegado a éste, son: Adenina, Citosina, Guanina y Timina (A, C, G, T). Las hélices que forman son unidas por "bases", que serán representadas por bloques de colores. Cada base se une solamente a otra base específica. Al ADN le gusta formar largas hélices dobles:

12 Los Genes y la Información son partes de la molécula de ácido desoxirribonucleico (DNA) presente en los cromosomas que codifican la secuencia de aminoácidos de un polipéptido o proteína. El DNA lleva información y es capaz de autoreplicarse, en nuevas copias de sí mismo.

13 EL ADN un Banco de Información y Procesamiento

14 Computación molecular La computación con ADN, en el sentido literal, es el uso de las moléculas ADN (Ácido Desoxiribonucleico), moléculas que codifican información genética para todas las cosas vivientes, en computadoras. Esto es logrado en una solución suspendida de ADN, donde ciertas combinaciones de moléculas de ADN son interpretadas como un resultado particulara un problema original codificado en moléculas de ADN.

15 Esta rama de la computación se inicia el 11 de noviembre de 1994, con el trabajo de Leonard M. Adleman, (del Laboratorio de Ciencia Molecular de la Universidad de California) en el que resuelve el problema de Hamilton. Se resolvía en un laboratorio de Biología Molecular un problema matemático complejo utilizando un tubo de ensayo con ADN, y aplicándoles ciertas técnicas (separación, clonación). Este trabajo supuso un gran avance en las ciencias de la computación ya que se demostraba que era posible realizar cómputos a nivel molecular y, además, con una enorme capacidad de paralelismo inherente.

16 Por las mismas razones por las que el ADN fue seleccionado para los organismos vivientes como material genético, el ser estable y predecible en reacciones, las cadenas de ADN también pueden ser usadas para codificar información para sistemas formales (matemáticos).

17 La computación mediante ADN es una tecnología aún en pañales. Expertos como Lloyd Smith buscan capitalizar la enorme capacidad de almacenamiento de información de las moléculas biológicas, las cuales pueden efectuar operaciones similares a las de un computador a través del uso de enzimas, catalizadores biológicos que actúan como el software que ejecuta las operaciones deseadas.

18 El Código Genético como Lenguaje

19 Cómo funciona este lenguaje: La replicación se efectúa debido a las propiedades de las cuatro bases: ATCG y U para el ARN. A se une con T y G con C. Un único filamento de ADN puede copiarse así mismo ensamblando un filamento complementario: Las T frente a todas las A, las A frente a todas las T, las C frente a todas las G y las G frente a todas las C. Por esto la famosa estructura de doble hélice del filamento original y su pareja del ADN que permite replicarse indefinidamente.

20 Vs computación tradicional Un sistema de computo con ADN no seria semejante a un computador convencional, estos representan información en términos de 0 y 1, físicamente expresado en términos del flujo de electrones por circuitos lógicos, mientras que los computadores de ADN representan información en términos de unidades químicas del ADN.

21 La computación en computador es mediante programas que instruyen a circuitos eléctricos en senderos particulares; con un computador de ADN el cómputo requiere la síntesis de sucesiones particulares de ADN y permite reaccionar en un tubo de ensayo.

22 Operaciones de una cadena genética Separación de cadenas considerando su longitud. Mezcla, vertiendo dos tubos de ensayo en uno para realizar la unión. Extracción, tomando aquellas cadenas que contengan un patrón determinado. Fundir y/o templar, rompiendo o ligando dos moléculas de ADN con secuencias complementarias. Amplificación, usando un compuesto denominado PCR para hacer copias de cadenas de ADN.

23 Corte, separando el ADN con enzimas de restricción. Ligación, enlazando cadenas de ADN con límites complementarios "adherentes" usando un compuesto denominado ligasa. Detección, confirmando la presencia o ausencia de ADN en un determinado tubo de ensayo. Las operaciones mencionadas pueden usarse para "programar" un "computador de ADN".

24 Camino Hamiltoniano Camino Hamiltoniano E D A C B F G

25 Este problema es difícil para computadores convencionales (lógica serial) porque deben de intentar cada camino posible uno por uno. Es como tener una pila de llaves y tratar de ver cual es la que entra en una cerradura. Los computadores convencionales son muy buenos para la aritmética, pero malos para problemas de tipo "llave en la cerradura".

26 Los computadores basados en ADN pueden tratar todas las llaves al mismo tiempo (masivamente en paralelo) y por lo tanto son muy buenos para problemas de llave-en-la-cerradura, pero mucho más lentas para problemas aritméticos simples como la multiplicación. El problema del Camino Hamiltoniano fue escogido porque todos los problemas llave-en-lacerradura pueden ser resueltos como problemas de Camino Hamiltoniano.

27 Resolviendo el problema 1. Generar caminos aleatorios a través del grafo. 2. Quedarse solo con los caminos que empiezan en la ciudad inicio (A) y terminan en la ciudad fin (G). 3. Como el grafo tiene 7 ciudades, quedarse solo con los caminos que tengan 7 ciudades. 4. Quedarse solo con los caminos que entran a todas las ciudades por lo menos una vez. 5. Cualquier camino que quede es una solución.

28 Resolviendo el problema La clave para resolver el problema fue usar ADN para llevar a cabo los cinco pasos del algoritmo: Paso 1: Crear una secuencia de ADN única para cada ciudad (de A hasta G). Para cada camino, por ejemplo, de A a B, crear una pieza de ADN que concuerde con la última mitad de A y la primera mitad de B:

29 Aquí el bloque rojo representa a la ciudad A, mientras que el bloque naranja representa a la ciudad B. El bloque mitad rojo mitad naranja que conecta a los otros dos bloques, representa el camino de A a B. En un tubo de ensayo, todas las diferentes piezas de ADN se conectarán unas con otras al azar, formando caminos a través del grafo.

30 Paso 2: Debido a que es difícil "remover" el ADN de la solución, el ADN que empezaba en A y terminaba en G fue copiado una y otra vez hasta que el tubo de ensayo contuviera mucho de ése ADN relativo a las otras secuencias aleatorias. Esto es esencialmente lo mismo que remover todas las otras piezas. Imagine un cajón que contenga bolas que inicialmente contiene una o dos bolas de colores. Si pone ahí cien bolas negras, es muy probable que cuando saque una del cajón todo lo que obtenga sean bolas negras.

31 Paso 3: Por peso, las secuencias de ADN que tuvieran 7 "ciudades" de largo fueron separadas del resto. Un tamiz (sieve) fue usado lo cual permite que pasen rápidamente pedazos pequeños de ADN, mientras que los segmentos más largos son frenados. El procedimiento usado en realidad permite aislar las piezas que son precisamente de 7 ciudades de largo.

32 Paso 4: Para asegurar que las secuencias que quedan pasan por todas las ciudades, se usaron piezas "pegajosas" de ADN unidas a magnetos para separar el ADN. Los magnetos se utilizaron para asegurar que el ADN requerido permanezca en el tubo de ensayo, mientras que el ADN no requerido se remueve. Primero, los magnetos se quedaban con todo el ADN que pasara por la ciudad A en el tubo de ensayo, luego por B, luego C, y D, y así sucesivamente. Al final, el ADN que permanece en el tubo fue aquél que pasa por todas las ciudades.

33 Camino Hamiltoniano Resolviendo el problema Paso 5: Todo lo que falta es secuenciar el ADN, revelando el camino de A a B a C a D a E a F a G.

34 Ventajas El procedimiento tomó aproximadamente una semana en terminar. Aunque este problema particular pudiera ser resuelto en un pedazo de papel en menos de una hora, cuando el número de ciudades aumenta a 70, el problema se vuelve demasiado complejo incluso para un supercomputador. Mientras que un computador de ADN se tarda mucho más que un computador normal para hacer cada cálculo individual, puede hacer una cantidad enorme de operaciones al mismo tiempo (masivamente en paralelo). Los computadores de ADN también necesitan menos energía y espacio que los computadores normales.

35 Es la molécula que almacena más información en las células vivas, y miles de millones de años de evolución han probado y refinado tanto esta maravillosa molécula de información, como las altamente especificas enzimas que pueden duplicar la información en una molécula de ADN o transmitir esta información a otras moléculas de ADN.

36 Ventajas Cada molécula de ADN es aproximadamente equivalente a un pequeño chip de silicio. Pero las moléculas de ADN son mucho más pequeñas que los chips, usted puede juntar muchas en un espacio muy pequeño - aproximadamente 10 billón de ellas caben en una canica. Todas estas moléculas pueden trabajan juntas al mismo tiempo, de tal forma que usted puede tener teóricamente 10 billones de cálculos haciéndose al mismo tiempo (o más si su computador tiene un tamaño mayor al de una canica).

37 Desarrollos Nadrian Seeman, químico de la universidad de Nueva York, une nanopartículas de oro a bloques de ADN para construir diminutos circuitos electrónicos, unas diez veces más chicos que los componentes de los chips actuales. En este camino están también los investigadores de Lucent Technologies, tratando de construir nanomotores que se dediquen a la fabricación a escala molecular de componentes electrónicos, utilizando bloques de ADN como constituyentes esenciales.

38 Ingenieros de la NASA trabajan en el diseño de computadores del tamaño de una molécula de proteína, que servirán para rastrear y reparar daños celulares en el organismo humano.

39 Conclusiones La computación con ADN o la computación cuántica quizás no sustituyan completamente a los semiconductores de silicio en los PC, pero serán potentes tecnologías de la futura supercomputación paralela avanzada. No son mejoras sobre modelos anteriores de cómputo sino que aprovechan el paralelismo inherente de los procesos biológicos (ensamblamiento o hibridación del ADN).

40 El avance tecnológico está permitiendo manipular de forma cada vez más precisa la materia a nivel molecular e incluso atómico. En el siglo XX se han intentado simular procesos computacionales presentes en la naturaleza; en el siglo XXI, los esfuerzos se encaminarán a utilizar la propia naturaleza para realiza cómputos. Estos estudios nos permitirán también descifrar las leyes del procesamiento de la información en la naturaleza.

41 Los computadores moleculares se caracterizan por: Un almacenamiento de información de una densidad excepcional. Un gramo de ADN, que ocupa, en seco, alrededor de un centímetro cúbico, puede almacenar aproximadamente la información de un billón de discos compactos, y aportan un enorme paralelismo.

42 Bibliografía Adleman, Leonard M Computación con ADN. Rev. Investigación y ciencia: Octubre. P Barcelona, España Prensa Científica S.A. Adleman, L.M. Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science. Vol November pp Pazos S., J. & Rodríguez A Computación no convencional: Computación molecular y Computación cuántica.

43 Aplicaciones Investigación en Genética

44 Genoma Humano El 26 de junio de 2000 tras 10 años de investigación, el genoma humano, considerado el auténtico libro de la vida, fue descifrado en sus partes esenciales permitiendo obtener: Mapas genéticos: Indican la posición relativa de los diferentes genes y la transmisión de caracteres hereditarios. Mapas físicos: De mayor resolución, muestran la secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN que constituye el cromosoma. Se obtiene la secuencia de nucleótidos de un gen. Se realiza mediante la electroforesis en geles de distintos fragmentos de ADN y la ayuda de potentes computadores.

45 Proceso Dado un gráfico con n vértices. Genere un conjunto de caminos aleatorios que atraviesen el grafo. Para cada camino del conjunto: - Compruébese si el camino parte del vértice inicial y acaba en el vértice final. Si no es así, elimínese el camino del conjunto. - Compruébese si el camino visita exactamente n vértices. Si no es así, elimínese el camino del conjunto. - Para cada vértice, compruébese si ese camino pasa por el vértice. De no ser así, elimínese el camino del conjunto. Si el conjunto no es vacío, se informa que existe un camino hamiltoniano. Si el conjunto es vacío, se informa que no existe camino hamiltoniano.

46 Aplicación: Definiendo cuatro Ciudades: Tunja, Bogota, Medellín y Cali, conectadas por seis vuelos. El problema consiste en determinar la existencia de un camino hamiltoniano que parta de Tunja y concluya en Cali.

47 Solución por computos con ADN Se asigna a cada ciudad una secuencia de ADN. Ejemplo: Tunja es igual a ACTTGCAG La primera mitad de la secuencia de ADN es el nombre de la ciudad, y la segunda, la replica de este ADN, así el ADN complementario para Tunja es TGAACGTC.

48 CIUDAD NOMBRE EN ADN COMPLEMENTO TUNJA ACTTGCAG TGAACGTC BOGOTA TCGGACTG TGCCTGAC MEDELLIN GGCTATGT CCGATACA CALI CCGAGCAA GGCTCGTT VUELO NUMERO DE VUELO EN ADN TUNJA-BOGOTA GCAGTCGG TUNJA- CALI GCAGCCGA BOGOTA- MEDELLIN ACTGGGTCT BOGOTA- CALI ACTGCCGA BOGOTA- TUNJA ACTGACTT MEDELLIN- CALI ATGTCCGA

49 Se codifican y sintetizan los nombres complementarios en ADN de las ciudades y los de los números de vuelo; se realiza una preparación bioquimica (unas 10 moléculas) de cada una de las distintas secuencias en un tubo de ensayo, que recrea una célula.

50 Utilizando moléculas de sondeo se localizan hebras de ADN que codifiquen caminos que pasen por ciudades como Bogota y Medellin. Así el nombre en ADN de Bogota AGCCTGAC en suspensión dentro del liquido. La afinidad Watson & Crick, captura hebras de ADN complementario de Bogota TCGGACTG. Se eliminan las hebras de ADN que no contengan el nombre de Bogota. El proceso se repite para las moléculas en ADN de Medellin. Una vez realizados los mismos pasos computacionales, las hebras restantes serán los que codifiquen la solución. GCAGTCGGACTGGGCTATGTCCGA.

51 La reacción bioquímica equivale a un enorme procesamiento en paralelo, que permite un camino hamiltoniano solución: Tunja, Bogota, Medellin y Cali Por tanto, la molécula que codifique la solución tendrá la secuencia GCAGTCGGACTGGGCTATGTCCGA

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