Sobre la boa que se comió un elefante o de cómo

Sobre la boa que se comió un elefante o de cómo
guardar un libro en una hebra de ADN
Paulina Aspra Polo
“… era la edad de la sabiduría, y también de la locura, la época de las
creencias y de la incredulidad…”
Charles Dickens
Los personajes que Saint-Exupéry describe en “El Principito” desafiaron
nuestra imaginación cuando nos presentaron la imagen de una boa
comiéndose un elefante. ¿Cómo algo tan grande podría caber en algo tan
pequeño? puede ser que nos cueste trabajo imaginar cómo podríamos
guardar
un
libro,
incluso
toda
la
información
contenida
en
una
enciclopedia en un gramo de ADN, pero quizá eso represente el futuro del
almacenamiento de información digital.
Sobre la boa que se comió un elefante o de cómo guardar un libro en una hebra de ADN / CIENCIORAMA
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El 25 de abril de 2013 se cumplieron 60 años del descubrimiento de
la molécula de ADN. Watson y Crick la describieron como una serie de
nucleótidos que unidos forman una cadena de ADN. Un nucleótido consiste
de una base nitrogenada (adenina, timina, guanina y citosina) unida por un
esqueleto de un azúcar (deoxirribosa) y un fosfato. El ADN se compone de
dos cadenas que se unen por enlaces moleculares entre las bases
nitrogenadas. La adenina siempre se unirá con la timina y la citosina con
la guanina. En la molécula de ADN se guarda la información que necesitan
los organismos para realizar sus funciones y sintetizar proteínas pero, a
diferencia de los chips de ADN, los organismos leen el ADN de tres en
tres nucleótidos.
Al ver que se podía guardar mucha información en una molécula
pequeñita, muchos científicos se preguntaron si se podría guardar otro tipo
de información. Diseñaron un código donde cada nucleótido se interpreta
como cero o uno. Si se traduce un libro a código de ceros y unos o
código binario, se puede guardar un libro en ADN.Esto ya se había
intentado
antes,
y habían utilizado
porciones pequeñas
de ADN de
Escherichia coli para guardar partes de textos como el Génesis de la
Biblia. También guardaron frases del libro Historia de dos ciudades de
Charles Dickens y mensajes encriptados como “6 de junio: invasión a
Normandía”. Sin embargo, la información almacenada era poca.
Fue hasta noviembre del año pasado que investigadores de la
escuela de medicina de Harvard, tradujeron un libro completo a código
binario, asignaron valores a los nucleótidos (0 ó 1) y construyeron la
secuencia de nucleótidos artificialmente. Obtuvieron cadenas de ADN que
no codifican proteínas, sino que tienen un código de lectura y un mensaje
diferente al que usan las células. Los científicos eligieron un libro que
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había escrito uno de ellos, curiosamente llamado Regénesis: ¿cómo la
biología sintética reinventará la naturaleza y a nosotros mismos (Regenesis:
How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves por Church G.M.
y Regis E.) El libro compuesto por 53 000 palabras y 11 imágenes, se
tradujo a lenguaje binario y se almacenó en menos de un gramo de ADN.
La cantidad de errores que reportaron en el estudio realizado en Harvard
fue de diez en 5.2 millones de bits, lo cual indica que se podría agregar
mucha más información sin que se modifique el contenido.
Bits en el ADN
Un bit es uno de los dos dígitos posibles en el sistema binario, puede ser
0 o 1, mientras que en el sistema decimal puede ser 0,1,2… o 9. Cada 8
bits constituyen un byte. En el ADN se puede almacenar un bit de
información en cada nucleótido de la secuencia. Cuando se almacena
información en el ADN, se considera a las adeninas y citosinas como 0; y
a las timinas y guaninas como 1. Si almacenáramos información en
lenguaje binario en un gramo de ADN de cadena simple, éste podría
contener 455 mil millones de bits de información. Los investigadores
lograron fabricar un chip de 128 mm de largo por 86 mm de alto por 13
mm
de
profundidad
que
podría
contener
hasta
1.5
exabytes
de
información. Un exabyte contiene 1 000 000 000 de gigabytes, o lo
equivalente a mil millones de discos duros de 1GB de los que se pueden
encontrar comúnmente en el mercado actual.
Por ejemplo, en 2008 se
estimó que existían mil millones de computadoras en uso en todo el
mundo, suponiendo que cada una de ellas tiene un disco duro de 1 GB,
podríamos contener en un gramo de ADN el equivalente a toda la
capacidad de almacenamiento de información mundial. No sólo se pueden
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almacenar grandes cantidades de información en el ADN, sino que también
tiene ventajas como un medio estable para almacenar información por
mucho tiempo, debido a que los enlaces entre sus moléculas (nucleótidos,
grupos fosfato y azúcares) son muy estables. Se ha obtenido ADN de
mitocondrias (organelo celular) de restos humanos de 7000 años de
antigüedad que no se ha degradado en exceso. Inclusive ADN bacteriano
atrapado en cristales de sal ha mantenido su estructura por 250 millones
de años.
Fabricación de chips de ADN
Pero, ¿cómo se fabrica un chip de ADN? Los chips de ADN, también
llamados microarreglos, se han utilizado en la investigación científica para
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identificar la presencia y cantidad de ARN mensajero en cualquier muestra
que nos interese. Se pone en el chip una secuencia conocida de ADN
complementaria al ARN que se espera encontrar. Si en la muestra biológica
está la cadena complementaria del ADN del chip, se unen las dos cadenas
debido a la afinidad que existe entre sus nucleótidos complementarios aun
cuando una es de ADN y la otra de ARN (a este proceso se le llama
hibridación). Esta hibridación genera una reacción fluorescente y los
investigadores pueden identificar los fragmentos presentes en la muestra.
(para
mayor
información
ver:
http://www.cienciorama.ccadet.unam.mx/articulos_extensos/274_e xtenso.pdf)
Estas
secuencias
de nucleótidos
son construidas
artificialmente.
Para
fabricar chips de ADN o microarreglos para uso en la investigación o
como almacén potencial de información se puede utilizar una impresora de
ADN. Estas impresoras utilizan como “papel” una superficie de vidrio de
poros de tamaño determinado (Controlled Pore Glass, CPG). Sobre esta
superficie se adhieren uno por uno los nucleótidos deseados (A,T,C o G).
Además, el ADN puede acomodarse en láminas y varias láminas por mm
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por lo que aumenta la capacidad de almacenamiento de información.
Cómo sacar un conejo de un sombrero de copa
Sin embargo aún estamos lejos de tener unidades de almacenamiento de
información basados en ADN en las computadoras nuestras de cada día.
Para
obtener
la
secuencia
de
nucleótidos
que
componen
el
ADN
necesitamos una muestra que contenga miles de copias de la misma
cadena. En un chip de ADN tenemos una sola copia, por lo que se utiliza
un proceso de síntesis in vitro de las hebras de ADN, conocido como
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“reacción en cadena de la polimerasa” (Polymerase Chain Reaction, PCR).
La PCR es una herramienta conocida para obtener grandes cantidades de
una pequeña muestra de ADN. Por ejemplo, cuando se comete un delito y
hay pocas muestras, se utiliza esta técnica para obtener la misma muestra
repetida miles de veces. Una vez que la muestra ha sido amplificada, se
obtiene la secuencia de nucleótidos que componen las hebras de ADN; se
comparan con la muestra del sospechoso y se identifica al culpable.
Cabe señalar que en la actualidad el procesamiento del ADN se
realiza en pocos lugares y resulta relativamente caro (aproximadamente 11
dólares por muestra). Y se necesitaría un software que interprete la
secuencia de nucleótidos y la traduzca en texto e imagen.En el caso de
los investigadores de Harvard, ellos codificaron el texto en 54 000
fragmentos de ADN. Cada uno de estos fragmentos consistía de 159
nucleótidos
de
longitud,
y
tenían
un
bloque
que
especificaba
su
localización en el libro completo. Esto es importante, ya que es como si
arrancáramos las hojas de un libro, y fueran fotocopiadas por separado, si
las hojas no estuviesen numeradas el libro perdería la secuencia y tendría
otro significado.
Si los investigadores hubieran procesado comercialmente sus 54 000
muestras, la sola secuenciación hubiese costado cerca de 600 000
dólares. Es por eso que en la actualidad, decodificar un libro completo
contenido
en
un
chip
de
ADN
sería
muy
caro.
Sin
embargo
los
investigadores confían en que en un futuro el costo de la decodificación
de los chips de ADN disminuirá su costo comercial.
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Realidad o ficción
Cada día la ciencia desafía nuestros sueños más extraordinarios, así como
el Principito, debemos comenzar a ver elefantes dentro de una boa, y no
un simple sombrero. Imaginemos la utilización de chips de ADN para la
transmisión de mensajes crípticos. ¿Cómo? Se puede integrar ADN creado
artificialmente al genoma de seres vivos. Este ADN artificial no resulta en
la producción de proteínas en esos sistemas biológicos, sino que se trata
de un mensaje en código binario. Por ejemplo, un grupo de investigadores
japoneses ha logrado introducir fragmentos de ADN que contenían el
mensaje “¡E=mc2 1905!” en el genoma de la bacteria Bacillus subtilis, sin
afectar la información que este ser vivo necesita para su supervivencia.
Una vez insertado el mensaje, la bacteria podía continuar viviendo y
multiplicándose. Esto quiere decir que se podrían enviar mensajes de una a
otra persona mediante una bacteria modificada como B subtilis. Sin
embargo, no se puede utilizar este sistema para difundir mensajes, puesto
que la cantidad de información decodificada que se puede insertar en el
ADN de B subtilis no rebasa los 8 megabytes, y puede haber mutaciones
en los genes de esta bacteria, por lo que partes del mensaje podrían
borrarse. Estas actividades deben regularse legalmente, puesto que se
puede transmitir un virus computacional, e incluso un virus de importancia
médica, por no mencionar que su uso biológico puede generar proteínas
quiméricas de funciones insospechadas.
Agradecemos al Fís. José Luis Olivares, Dr. Jesús Ramírez y a la Dra.
Leonora Olivos por su participación en la realización de esta nota.
Bibliografía no especializada
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7
1.
http://www.cronicasweb.com/cientificos-logran-codificar-un-libro-de-
53000-palabras-
en-adn/
2.
http://news.sciencemag.org/sciencenow/2012/08/written-in-dna-code.html?ref=hp
3.
http://news.sciencemag.org/sciencenow/2013/01/half-a-million-dvds-in-yourdna.html?ref=hp
Bibliografía
1.
“Next-Generation digital information storage in DNA”. 2012. Church MG, Gao Y,
Kosuri S., Science 28., vol 337, no. 6102, p 1628.
2.
N. Yachie, K. Sekiyama, J. Sugahara, Y. Ohashi, M. Tomita, “Alignment-based
approach for durable data storage into living organisms”. Biotechnol. Prog. 23, 501
(2007)
3.
C. Bancroft, T. Bowler, B. Bloom, C. T. Clelland, “Long-term storage of information
in DNA. Science 293, 1763 (2001)
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