Computación con ADN€¦ · Computación con ADN Diego Pardilla Mata & CIBALL DiMo 22 de septiembre de 2011

Computación con ADN

Diego Pardilla Mata & CIBALL

DiMo

22 de septiembre de 2011

c©2011 Diego Pardilla MataEste documento está distribuido bajo la licencia Creative

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Índice

1 PreguntasPreguntas¿Por qué?¿Qué es?

2 Casos de usoResolución del camino HamiltonianoPuertas lógicasCircuitos genéticos

Índice



PreguntasCasos de uso

Preguntas¿Por qué?¿Qué es?

Índice



Diego Pardilla Mata & CIBALL Computación con ADN



Preguntas

¿En el futuro todos losordenadores serán de silicio?¿Utilizar otras tecnologías paracomputar son posibles?




Preguntas

¿En el futuro todos losordenadores serán de silicio?¿Utilizar otras tecnologías paracomputar son posibles?




Índice






¿Por qué?

Permite resolver problemas quese consideran intratablesPermite meter muchainformación en muy poco espacioControlar dispositivos ananoescalaConstruir circuitos biológicossintéticos

2

2

3

6

4 3 5

3

7

31

3

4




¿Por qué?





¿Por qué?





¿Por qué?





Índice






¿Qué es?

Usar el ADN para realizar cálculos

A




¿Qué es?


A + B

+




¿Qué es?


A + B =

+




¿Qué es?


CA + B =

+




Conceptos

James Watson y Francis Crick (1953)Molécula de ADNParidadOrientación




Conceptos


A

B




Conceptos


A

B

C T A A T C G C G T A T T C C A TG A T T A G C G C A T A A G G T A




Conceptos


A

B

C T A A T C G C G T A T T C C A TG A T T A G C G C A T A A G G T A

3' 5'

3'5'



Resolución del camino HamiltonianoPuertas lógicasCircuitos genéticos

Índice






Resolución del camino Hamiltoniano

Consiste en encontrar un caminoque vaya desde el inicio hasta elfinal pasando por todos losdemás puntos una sola vezUn problema cuya clase decomplejidad es de tipo NPL. Adleman resolvió el problemaen 1994 usando ADN

1

2

0

3

4

5

6

INICIO FIN






1

2

0

3

4

5

6

INICIO FIN









Herramientas

HerramientasParidad deWatson-CrickPolimerasasLigasasNucleasasElectroforesisSíntesis de ADN

A

T

G

C




Herramientas


A

B

3' 5'

3'5'Cebador

Cebador

PolimerasaPolimerasa

Desnaturalización




Herramientas


3' 5'

Ligasa




Herramientas


3' 5'

Nucleasa




Herramientas





Herramientas


ACGTTGCAGACTGA

CGTACGATCAGTACC

GCCGCCGGCCGTAC

GATATATATACGATAG

CATGCATGCATGCTG

CTATAGGGCTTTAGG

ACACCCAAATGGAC




Creación de las secuencias de ADN

Ciudad

Gibraltar ACTTGCAG->TGAACGTC

Valencia TCGGACTG->AGCCTGAC

Salamanca GGCTATGT->CCGATACA

Gijón CCGAGCAA->GGCTCGTT

Número de vuelo

Gibraltar-Valencia GCAGTCGG

Gibraltar-Gijón GCAGCCGA

Valencia-Gibraltar ACTGACTT

Valencia-Salamanca ACTGGGCT

Valencia-Gijón ACTGCCGA

Salamanca-Gijón ATGTCCGA

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIA

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIASALAMANCA

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIASALAMANCA

GIJÓN

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIASALAMANCA

GIJÓN

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIASALAMANCA

GIJÓN

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIASALAMANCA

GIJÓN

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIASALAMANCA

GIJÓN

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIASALAMANCA

GIJÓN

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIASALAMANCA

GIJÓN

GIBRALTAR





Ciudad





Número de vuelo







VALENCIASALAMANCA

GIJÓN

GIBRALTAR




Algoritmos

Algoritmo

1 Generar caminos aleatorios a través del grafo2 Seleccionar los caminos que partan de V0 y terminen en Vf

3 Quedarse sólo con los caminos que tengan N vértices4 Seleccionar los caminos que entran a cada vértice una sola vez5 Si queda algún camino, SI existe solución, en caso contrario NO

Algoritmo con ADN

1 Mezcla en una disolución las ciudades complementarias y los números de vuelo2 Selecciona con la polimerasa (PCR)3 Realiza la electroforesis sobre las cadenas que hay4 Aplica fuerzas magnéticas sobre las cadenas ”sonda”5 Si queda ADN en el tubo de ensayo, estas cadenas son la solución




Algoritmos

Algoritmo



Algoritmo con ADN





Algoritmos

Algoritmo



Algoritmo con ADN





Algoritmos

Algoritmo



Algoritmo con ADN





Algoritmos

Algoritmo



Algoritmo con ADN





Conclusiones

Son lentas las operaciones individualesÓptimo para soluciones grandesAbre un campo de investigación




Conclusiones





Conclusiones





Índice






Hibridación competitiva

PUERTA AND TABLAS DE VERDAD

ENTRADAS SALIDA

01

1234

0

00

111

1000





F

toe-hold

regiónhibridación

E outG


Imagenes recogidas de:G. Seelig, D. Soloveichik, D. Y. Zhang, E. Winfree, Science 314, 1585 Enzyme-Free Nucleic Acid Logic Circuits, (2006).

ENTRADAS SALIDA

01

1234

0

00

111

1000





toe-hold

G in

F

toe-hold

regiónhibridación

E outG



ENTRADAS SALIDA

01

1234

0

00

111

1000





toe-hold

G in

G

G in

E out

toe-hold

regiónhibridación

F

F

toe-hold

regiónhibridación

E outG



ENTRADAS SALIDA

01

1234

0

00

111

1000





toe-hold

G in

toe-hold

F in

G

G in

E out

toe-hold

regiónhibridación

F

F

toe-hold

regiónhibridación

E outG



ENTRADAS SALIDA

01

1234

0

00

111

1000





toe-hold

G in

toe-hold

F in

G

G in

F in

FE out

fluorescencia

E out

toe-hold

regiónhibridación

F

F

toe-hold

regiónhibridación

E outG



ENTRADAS SALIDA

01

1234

0

00

111

1000





toe-hold

G in

toe-hold

F in

G

G in

F in

FE out

fluorescencia

E out

toe-hold

regiónhibridación

F

F

toe-hold

regiónhibridación

E outG



ENTRADAS SALIDA

01

1234

0

00

111

1000

REACTIVOS PRODUCTOS

, SIN INPUTS = REACTIVOS= REACTIVOS+

++

+in

in

in in in in

in

1234 G

G G

FGE

FGEFGE

FGE

GGG

F

F FFF

EE

+ + +




Ventajas de la hibridación competitiva

Las salidas y las entradas son igualesPermite señales en cascadaNo necesita enzimas catalizadoras














Índice






Expresión genética

GTGCATCTGACTCCTGAGGAGAAGCACGTAGACTGAGGACTCCTCTTC ADN

Imagenes recogidas de:Wikipedia: expresión genética.





GTGCATCTGACTCCTGAGGAGAAGCACGTAGACTGAGGACTCCTCTTC

GUGCAUCUGACUCCUGAGGAGAAG

ADN

(transcripción)

ARN

Imagenes recogidas de:Wikipedia: expresión genética.





GTGCATCTGACTCCTGAGGAGAAGCACGTAGACTGAGGACTCCTCTTC

GUGCAUCUGACUCCUGAGGAGAAG

V H L T P E E K

ADN

(transcripción)

ARN

(tranducción)

proteínaImagenes recogidas de:Wikipedia: expresión genética.




Conceptos

ConceptosPromotorGenInhibidorFluorescencia

Represión

Promotor

Fluorescencia




Conceptos


Promotor

FluorescenciaGen




Conceptos


Represión

Promotor

Fluorescencia




Conceptos


Represión

Promotor

Fluorescencia




Toggle switch

Represión 2 Represión 1

Promotor 2

Promotor 1Fluorescencia

Imagenes recogidas de:T. S. Gardner, Ch. R. Cantor & J. J. Collins, Nature 403, 6767 Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli, (2000).




Toggle switch


Promotor 2


Inductor 1

OFF Imagenes recogidas de:T. S. Gardner, Ch. R. Cantor & J. J. Collins, Nature 403, 6767 Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli, (2000).




Toggle switch


Promotor 2


Inductor 2

ON

Imagenes recogidas de:T. S. Gardner, Ch. R. Cantor & J. J. Collins, Nature 403, 6767 Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli, (2000).




Repressilator

Represión 1

Promotor 3

FluorescenciaRepresión 2

Promotor 1

Represión 3

Promotor 2




Repressilator

Represión 1

Promotor 3


Promotor 1

Represión 3

Promotor 2




Repressilator

Represión 1

Promotor 3


Promotor 1

Represión 3

Promotor 2




Repressilator

Represión 1

Promotor 3


Promotor 1

Represión 3

Promotor 2




Vídeo demostración

Vídeo de bacterias brillando


http://www.youtube.com/watch?v=DBWW7mtscnk



Bibliografía

Bibliografía

Computing with DNAa

Enzyme-free nucleic acid logic circuitsb

Construction of a genetic toggle switch in Escherichia colic

A synthetic oscillatory network of transcriptionalregulatorsd

aL. Adleman, Scientific American Magazine 1998, 54-61.bG. Seelig, D. Soloveichik, D. Y. Zhang & E. Winfree, Science 2006, 314.cT. S. Gardner, Ch. R. Cantor & J. J. Collins, Nature 2000, 403, 6767.dM. B. Elowitz & S. Leibler, Nature 2000, 403, 6767.




Bibliografía

Bibliografía

Computing with DNAa








Bibliografía

Bibliografía

Computing with DNAa








Bibliografía

Bibliografía

Computing with DNAa






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