Nuevo sistema para la solución de problemas complejos por comunidades de bacterias

Un nuevo sistema para la resolución de problemas complejos de forma autónoma por una comunidad de bacterias, que constituye un paso adelante en la conformación de una nueva disciplina científica llamada biología sintética, ha sido desarrollado en la Facultad de Informática de la Universidad Politécnica de Madrid (FIUPM), según se informa en un comunicado.

Los algoritmos diseñados para este cometido ayudan a la sincronización necesaria entre bacterias distintas, basándose para ello en las capacidades y los mecanismos de comunicación que las bacterias muestran en estado natural, como son la conjugación bacteriana y el quórum sensing.

La conjugación bacteriana es el proceso de transferencia de información genética desde una célula donadora a otra receptora. El quórum sensing es un mecanismo de control de expresiones genéticas dependiente de la densidad celular.

Manipulando la comunicación bacteriana

El nuevo sistema desarrollado en el marco de esta investigación modifica y manipula estos mecanismos de comunicación entre bacterias para conseguir computaciones con rudimentarios sistemas de toma de decisiones. Entre los ejemplos de cómputo a los que se someten las nuevas arquitecturas diseñadas caben destacar la resolución de problemas complejos de forma autónoma por una comunidad de bacterias, o el diseño de un oscilador poblacional modelado a semejanza de la arquitectura cliente/servidor

La arquitectura cliente/servidor, tan importante en las ciencias de la computación, es un modelo para el desarrollo de sistemas de información en el que las transacciones se dividen en procesos independientes que cooperan entre sí para intercambiar información, servicios o recursos.

Aplicaciones médicas y ecológicas

Las aplicaciones del sistema, que ha sido validado tanto a nivel biológico (conocimiento experto) como computacional (simulación), abarcan campos científicos tan diversos como la medicina o la ecología.

La investigación ha centrado su desarrollo en el diseño de arquitecturas de comunicaciones para comunidades de bacterias multi-cepa. Por un lado, ha diseñado una comunidad heterogénea que utiliza la conjugación bacteriana como protocolo de comunicaciones fundamental.

Esta comunidad heterogénea se basa en la idea de diferenciar las instrucciones computacionales almacenadas en el cromosoma bacteriano de los conjuntos de datos almacenados en vectores plasmídicos. Los plásmidos, vectores o también llamados plasmidios, son moléculas de ADN extracromosómico circular o lineal que se replican y transcriben independientes del ADN cromosómico.

Por otro lado, la investigación ha conseguido un comportamiento emergente de la mezcla de varias cepas funcionalmente diferentes de la misma comunidad, basándose para ello en el protocololo de comunicaciones quórum sensing, creando así dispositivos hardware que utilizan tecnología molecular (no eléctrica).

Un paso más hacia la biología sintética

La metodología desarrollada en esta investigación ha permitido el diseño de una bacteria que realiza una función específica por sí sola, sin necesidad del sistema completo, potenciándose así el carácter de reutilización de los componentes.

La investigación constituye un paso más en el comienzo de una ciencia interdisciplinar, la biología sintética y la computación con bacterias, producto de la unión entre la biología y las ciencias de la computación.

Esta nueva disciplina ha permitido la construcción de dispositivos moleculares que actúan como rudimentarios computadores y desempeñan tareas de cálculo lógico definidas. La ingeniería contribuye a abordar el diseño de estos biosistemas como una tarea formalizada de configuración de componentes. La idea básica es construir sistemas vivos con funcionalidades no naturales.

Esta investigación ha sido desarrollada por el Ingeniero en Informática Ángel Goñi Moreno como Tesis Doctoral defendida hoy 31 de mayo en la Facultad de Informática. La Tesis ha sido dirigida por el Doctor en Informática y profesor Juan Castellanos Peñuela.