Computadoras de ADN Juan Pedro Febles

1. Computadoras de ADN Juan Pedro Febles

2. Temas • Bioinformática • Nuestro centro • Nueva convergencia • Computadora de ADN. • Algunas perspectivas

3. Bioinformática (Boguski 1991). • Estímulos para su desarrollo: • El enorme volumen de datos sobre secuencias generados por los distintos proyectos genoma. • Los nuevos enfoques experimentales basados en biochips que permiten obtener datos genéticos a gran velocidad, bien de genomas individuales (mutaciones, polimorfismos), bien de enfoques celulares (expresión génica) • El desarrollo de Internet y el WWW, que permite el acceso universal a las bases de datos de información biológica.

4. Bioinformática???: • Es una nueva disciplina científica • Constituye una integración de las ciencias de la información con las ciencias de la vida. • Intenta dar respuesta a la necesidad de darle tratamiento aun enorme volumen de datos biológicos.

8. Tres grupos de investigación: • Genómica computacional • Estudio de proteínas • Computación científica

9. Migración de la convergencia Siglo XX TMT (Tecnologías de información, Medios y Telecomunicaciones) Siglo XXI “Sociedad de la información” 1990 VC Otro tipo de encrucijadas sectoriales y de intersección entre disciplinas de investigación

10. Fusionar esas tecnologías en una sola, conduce a una revolución industrial gigantesca y a un "renacimiento" de la sociedad. La Fundación Nacional de la Ciencia (NSF) se refiere a esta convergencia de tecnologías como NBIC, nano-bio-info-cogno. BANG Átomos: Unidad que manipula lananotecnología BIT:unidad operativa de las ciencias de la información Genes: que explota la biotecnología Neuronas:de las que se ocupan ciencias cognitivas

12. Minimizando la fabricación Minimáquinas Nanomáquinas Micromáquinas Máquinas cuánticas Máquinas de ADN

13. Necesidades para hacer computación • Un medio para almacenar información • Una forma de manipular esta información Cualquier sistema que posea estas dos propiedades puede hacer cualquier cálculo. El ADN las tiene

14. El ADN, se compone de nucleótidos, que se llaman adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). Los caracteres que se emplean para representar los DNA, "A", "C", "G" y "T" se les llama monómeros

15. Si tenemos la cadena ACGCTAGCTA su cadena complementaria sería TGCGATCGAT y por lo tanto, el ADN quedaría de la forma: ACGCTAGCTA | | | | | | | | | | TGCGATCGAT

16. Un descubrimiento significativo • Temas: • Algunas definiciones • Informática medica • Bioinformática • Convergencia • Para analizar

17. Esquema simplificado

18. 1994 Adelman propuso un algoritmo usando ADN para resolver el camino hamiltoniano con 7 nodos ( revista science. Dic.1994)

19. El proceso consiste de: • Construir moléculas de ADN que codifican caminos aleatorios a través del grafo. • Amplificar mediante la reacción en cadena polimerasa (PCR), para dejar solo los caminos que empiezan en el inicio y terminan en el final. • Separar, mediante electroforesis de geles, las cadenas de ADN de acuerdo al tamaño para quedarse solo con la que contienen solo 7 nodos. • Aplicar un proceso de purificación por afinidad para dejar las que pasan por cada ciudad solo una vez. • Determinar si alguna de las secuencias es la solución buscada. (secuenciación)

20. Desde 1995 Se celebra el ”International Meeting on DNA based computing” con el apoyo de DIMACS( Center for discrete Mathematics and Theoretical Computer Science). Mas de 100 investigadores analizan anualmente las perspectivas en este campo

21. Desde 1997 Auspiciado por DARPA y la NSF se han desarrollado varios intentos para ampliar la capacidad computacional de las moléculas. Varios proyectos incluidos dentro de la emergente y prometedora rama de la nanotecnología se están ejecutando

22. En la etapa • El consorcio Europeo de computación molecular ha mostrado avances en el estudio de aspectos teóricos tales como: • Teorías de lenguajes formales. • Computabilidad de Turing. • Complejidad computación

23. Autómata finito (opera sobre un conjunto finito de símbolos) Conjunto de estados internos Estado inicial Estado final (aceptable) SOFTWARE??? Reglas de transición que permiten identificar el próximo estado a partir del estado y el símbolo actual

24. 2001 • Ehud Shapiro publican en Nature • Programmable and autonomous computing machine made of biomolecules • Se apoyan en el concepto de autómata finito • El hardware consiste de enzimas de restricción y ligazas. • El software y las entradas son cadenas dobles de ADN. • Los programas son una selección de apropiadas moléculas

25. Ventajas de la computadora de ADN • Paralelismo. Velocidad ( cantidad de procesos simultáneos y cantidad de operaciones por u. de tiempo) • Capacidad de memoria. Un millón de Gbits por pulgada cuadrada. Los mejores CD veinte Gbits por pulgada cuadrada. • Bajo consumo energético • Mas limpias y menos afectaciones al medio ambiente

26. Ejemplo Supongamos que encriptamos un mensaje, con un algoritmo de encriptación de 64 bits, eso significaría que si hiciéramos un ataque de fuerza bruta, necesitaríamos comprobar en el peor de los casos las 18446744073709551616 combinaciones posibles.

27. Vamos a suponer que codificando ese algoritmo en ensamblador nos salen unas 30 instrucciones máquina y la CPU tendría que ejecutar unas 553402322211286548480 y suponiendo un ciclo por instrucción y un AMD overcloqueado a 4 GigaHerzios, necesitamos 263.224 años para descifrar el mensaje, aunque es posible, si tenemos mucha suerte, que lo consigamos en solo 100 años.

28. Para poder leer un mensaje secreto, necesitamos o bien un sistema extremadamente rápido o bien un sistema extremadamente paralelo. El sistema extremadamente rápido, es el ordenador quántico, y todavía hace falta muchos años, para tener un sistema que pueda ser usado en criptoanálisis. Los sistemas extremadamente paralelos, hay varias formas, usar un gusano de red que robe tiempo de CPU de las máquinas que infecte, montar un sistema parecido al del proyecto SETI o la más reciente: La computación DNA

29. Futuro • DNA Computer resuelve problemas NP completos mas rápido que las computadoras tradicionales. • Es una mala idea hacer competir DNA computer con computadoras tradicionales para resolver problemas del mismo dominio. • La biotecnología resulta un campo principal de aplicaciones futuras, porque opera precisamente con moléculas biológicas. • La gran perspectiva se orienta a las aplicaciones medicas.

30. Tareas científicas de particular impacto • Biotecnología, nanotecnología y bioinformática • Diseño de software. • Software de simulación. • Mejoramiento de protocolos bioquímicos. • Mejoras biotecnológicas para genómica • También • Patrones en 2D y 3D para nanoestructuras de ADN • Sistemas criptográficos inteligentes. • Nanorobotica. • Juegos • Imprescindible • Formación y entrenamiento de una nueva generación de científicos

31. We consider interesting to work in How to make DNA molecular robots work inside a real body? • Creating an external structure (possibly a complex mix of lipids and protein) that contains these nano-robots. • Avoiding Immune System Attack. • Relation between nanorobots and DNA-vaccines: Could one encode nanorobots into a virus DNA or RNA? • Finding good targets for the action of these devices.

32. Gracias