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Hacia las tecnologías de la información… genética

Los científicos exploran la capacidad del ADN como soporte de almacenamiento de datos

El origen de la vida es a la biología lo que el origen del universo a la física, dos temas que no nos dejan indiferentes, no importa nuestra dedicación. La creencia educada es que la complejidad biológica tuvo como origen común a la molécula de ARN. Cuando la complejidad pervive es porque existe una información asociada que le confiere reproducibilidad; como un libro de instrucciones para construir un mueble a partir de tablas y tornillos, como una receta culinaria que pasa de padres a hijos en una hoja de libreta. Es así con la tecnología humana, la música o el propio texto que estás leyendo, hoy almacenado en ceros y unos, como símbolos del alfabeto binario informático, y transmitidos a cualquier parte del mundo. Es así con la información en nuestros genes, hoy almacenados en largas listas combinando cuatro símbolos que conforman el alfabeto genético, común a todo organismo que llamamos vivo. (Y vivo… en nuestro planeta al menos). El ARN fue así el primer disco duro de información genética.

Pero no fue el único. De hecho no fue el que se impuso en los organismos superiores como nosotros, que guardamos nuestras instrucciones en largas cadenas de ADN, una sucesión de muchas hojas de libreta que pasamos a nuestra descendencia con muy pocos cambios. Sólo algunos virus almacenan información en forma de ARN. ¿Por qué usamos ADN para almacenar información y no ARN, si este último es igual de capaz? Las tecnologías sufren fluctuaciones, cambios aleatorios que pueden afectar a su presentación final, como ocurrió con la cinta VHS frente a la Beta o al Video 2000. El progreso no siempre responde a lo más conveniente o eficiente, sino simplemente, en muchas ocasiones, a cuestiones aleatorias, incontrolables. Pero por momentos, los saltos cualitativos pueden imponerse con la suficiente fuerza como para desterrar la tecnología previa, como es el caso de la aparición del DVD.

En nuestro grupo de investigación de IMDEA Nanociencia, y en colaboración con el Centro Nacional de Biotecnología (CSIC), hemos urdido en esta cuestión preparando soportes genéticos de ADN y de ARN y proveyéndoles del mismo código fuente, una secuencia prueba sacada de un virus llamado lambda que infecta a bacterias. Hemos comparado moléculas de doble hélice de ADN y ARN con esta misma secuencia para ver la flexibilidad de dichos soportes materiales. Las preguntas últimas que han despertado nuestra curiosidad son qué moléculas son más estables mecánicamente y cuáles pueden dar lugar a procesos más eficientes de compactación de datos o a su procesamiento por nanomáquinas implicadas en la replicación y transcripción (polimerasas y helicasas, entre otras), auténticos robots de lectura y copia de la información que residen en nuestras células. Dichos experimentos se han realizado con la técnica de pinzas ópticas, pinzas láser que operan en la nanoescala y que permiten manipular estas moléculas por sus extremos, una por una, estirándolas como muelles. También, mediante el uso de una punta de dimensiones atómicas hemos logrado seguir sus contornos. Esta metodología, conocida como microscopía atómica de fuerzas, opera como la punta de un tocadiscos sobre un vinilo: permite detectar rugosidades sobre una superficie. En nuestro caso, dichas rugosidades eran las moléculas de ADN y ARN depositadas sobre una superficie plana de mica. De esta manera conseguimos ver sus diferentes longitudes y grosores, como si estuviéramos comparando los tamaños de las cintas VHS y Beta.

El trabajo, publicado recientemente en el Journal of the American Chemical Society, demuestra que la doble hélice de ADN es más rígida al estiramiento y más flexible a la torsión que la de ARN. Podríamos decir que un adecuado balance entre estabilidad mecánica de la estructura de doble hélice y flexibilidad frente a torsión hace posible que el ADN sea un soporte más seguro y, probablemente, reconocible por las proteínas, por un lado, y más maleable, por otro. Lo último podría conferirle ventajas frente al ARN en los procesos de compactación (en forma de cromosomas o en el interior de cápsidas víricas) y podría implicar que el procesamiento de la información por máquinas nanoscópicas tuviera un menor coste energético.

Richard Feynman, físico teórico del siglo XX, se rindió a las tecnologías de la información de la vida. Se rindió a hechos muy conocidos por los biólogos pero extraordinarios desde el punto de vista de la ingeniería; por ejemplo, ¿cómo puede ser que en diminutas células quepa toda la información relativa a una criatura compleja como nosotros? Los físicos hemos parafraseado en nuestro subconsciente a Feyman. Pero es ahora, gracias a las técnicas de manipulación en la nanoescala, cuando podemos responder a estas preguntas con el peso del método científico. Y es ahora cuando se nos están abriendo las puertas, inspirados por la biología molecular, al diseño de dispositivos de almacenamiento y reconocimiento de información en tamaños tan pequeños.

J. Ricardo Arias González y Elías Herrero Galán son Investigadores de IMDEA Nanociencia y Centro Nacional de Biotecnología (CSIC).