El genoma como informática
El genoma como lenguaje de programación
Es casi un lugar común que el lenguaje genético
constituye un lenguaje de programación. Sin embargo, habiéndome dedicado
durante más de veinte años a la informática, en particular la inteligencia
artificial, debo decir que siempre me sorprendió la paradoja de la fragilidad
de los programas de computación frente a la gran robustez de la vida, conspicua
por su capacidad de adaptación a la diversidad de circunstancias. Esta
paradoja, en mi opinión, ha quedado resuelta gracias a la obra de Thomas Ray en
los años noventa del siglo pasado, que pude observar muy de cerca por habernos
tocado trabajar como colegas en
1. El sistema de direccionamiento de una computadora está basado en las coordenadas cartesianas, de modo que, por ejemplo, para buscar un número que deba multiplicar por otro tendrá que buscarlo en la superficie de su memoria, igual que un taxi busca una esquina de la ciudad por calle y avenida. En cambio, el direccionamiento que emplea la vida es completamente diferente, basado como está en la complementariedad de formas tridimensionales entre moléculas. Es más bien comparable con el que utiliza un detective que ha encontrado una llave en el lugar del crimen y debe probarla en multitud de puertas para poder hallar la habitación a que corresponde.
2. Comparadas con las "instrucciones" del lenguaje genético dirigidas al ARN de transferencia (del tipo "tráigame tal y tal aminoácido") que son solamente 20 –correspondientes a los 20 aminoácidos– existe un inmenso número de distintas instrucciones para la máquina electrónica. Esto puede sorprender al programador que haya trabajado con lenguaje de máquina, porque pensará que es un número más bien limitado (del tipo "multiplique X por Y y ponga el resultado en Z", "sume X con Y y ponga el resultado en Z", etc.). Pero si se toma en cuenta que la identificación de cada operando requiere dos número ("calle" y "avenida") y las combinaciones de esos números son una enorme cantidad pues dependen del tamaño de la memoria(1), el número de instrucciones para una computadora determinada resulta descomunalmente grande(2).
La historia de este análisis del problema por parte de Ray es muy ilustrativa de cómo un buen análisis puede sin más producir directamente una solución. Reconocidas las dos diferencias, Tom no tuvo mayor dificultad en inventar un lenguaje de programación diferente, con direccionamiento por complementariedad de patrones informáticos y muy pocas instrucciones (32). El nuevo lenguaje le permitió crear un sistema informático en que los programas evolucionaran igual que los seres vivos, al que bautizó con el expresivo nombre de "Tierra" (RAY 92).
El intérprete del lenguaje de la vida
Todo lenguaje de programación es en sí mismo tan
inerte como el plano de construcción que un ingeniero tenga extendido sobre su
mesa de trabajo. Para transformarlo en acción creadora es necesario un lector y
un ejecutor, que en el caso del plano de construcción son respectivamente el
ingeniero mismo y el aparato productivo de la empresa constructora. En el caso
del programa informático es el lector-ejecutor que constituye el núcleo de la
computadora que lo deberá procesar, corrientemente llamado “unidad central de
proceso”. No está de más recordar que esa UCP no es un pequeño ser humano
escondido en la computadora, como el enano de la “máquina de ajedrez” que
deleitó en el siglo XIX a los pueblos de Europa recorriendo sus ferias. Es
solamente un mecanismo capaz de transformar los símbolos del programa,
encarnados en impulsos eléctricos, en otros impulsos eléctricos que realizan
los efectos previstos al redactar el documento. En el caso del programa
genético, los investigadores de biología molecular han debido identificar un
aparato con parecida función, igualmente mecánico, pero constituido por las
microscópicas piezas químicas de la maquinaria de la vida. Sin pretender ni
lejanamente agotar aquí el tema, ofrecemos a continuación al lector algunos
atisbos de cómo está organizado y funciona ese interesante aparato.
Ante todo, debemos hacer notar que en la célula no hay una diferencia marcada entre
“programa” y “máquina” ejecutora del mismo. La situación es más bien parecida a
la de las primeras computadoras construidas en los años cincuenta, cuando
todavía no se había producido una diferenciación tajante entre estos dos
conceptos. Aún recuerdo en los años sesenta haber visto en el departamento de
contabilidad de mi Universidad unos aparatos de cómputo a los cuales se les
cambiaban pedazos de sus entrañas, llenos de alambres, cuando se quería cambiar
el tipo de operación que el equipo debía realizar. El “intérprete” de la vida, encargado
de “leer” el mensaje genético, está compuesto por partes de ese mismo mensaje y
proteínas con función enzimática previamente producidas por la interpretación
de otras secuencias de ADN. Si un lector agudo distingue aquí un círculo
vicioso, no está equivocado: el círculo se rompe porque todavía permanecen en
nuestro mundo rescoldos del mundo del ARN(b), existiendo enzimas de
ARN que “ceban” el sistema (como se ceba una bomba de agua echándole a mano un
poco para que comience a funcionar)(3).
Lo que hemos venido concibiendo como la
interpretación del programa genético se conoce más corrientemente en biología
con el término de regulación genética. Se refiere al conjunto de mecanismos que
aseguran la expresión de los genes, tanto desde el punto de vista del tiempo
como –en el caso de los organismos multicelulares– del espacio (recuérdese que
todas las células de un organismo multicelular tienen los mismos genes, pero
unos se expresan en unos lugares del cuerpo y otros en otros). Las proteínas
son sintetizadas diferencialmente. Así, durante la división celular las
polimerasas ADN, necesarias para la duplicación del ADN, deben ser producidas
en mayor cantidad que cuando la célula está en estado de latencia. Incluso los
seres unicelulares reaccionan diferentemente frente a circunstancias
particulares, produciendo las proteínas que más necesitan en cada momento y
lugar. Por ejemplo,
Los primeros detalles de este mecanismo de interpretación del programa genético fueron comprendidos ya en 1961 por los ganadores del Premio Nobel Jacob y Monod, del Instituto Pasteur de París, para los organismos microscópicos. Fueron descritos como un complejo modelo de regulación genética que ellos llamaron “operón”. Este modelo contribuye a explicar no solo la forma en que el programa genético se interpreta para convertirlo en acción química, sino también el porqué en ciertos casos el sistema funciona mal y produce uno de los flagelos más terribles y desconcertantes de la humanidad, el cáncer. En efecto el modelo operón explica cómo las células logran controlar las actividades de sus genes mediante su activación y desactivación en momentos adecuados. Esto lo hacen, desde luego, por la intervención de enzimas producidas por otros genes. Los sabios franceses fueron los primeros en introducir, con base en estos descubrimientos, la distinción fundamental entre “genes estructurales” y “genes reguladores”. El cáncer aparece, dentro de este paradigma, como una enfermedad de los genes reguladores que, por circunstancias especiales (como mutaciones, acción de virus o agentes cancerígenos), son llevados a fallar en el ejercicio de sus funciones. Los operones no existen en los organismos complejos: cada gen tiene sus propios promotores y operadores, con una organización más flexible.
Notas
Nota 1: Tómese en cuenta que la computadora no sabe
geometría analítica y no puede usar coordenadas ("calles" y
"avenidas") como las usa un ser humano. De hecho, este tipo de
direccionamiento, implícito en la construcción física de la memoria, significó
al principio enormes y estorbosos entrecruces de alambres en el corazón de la
máquina que solo comenzaron a hacerse manejables con el advenimiento de la
miniaturización de componentes y de los circuitos impresos.
Nota 2: Por ejemplo, para el caso de la hoy ya antigua
máquina RISC de
Nota 3: Esta situación me
recuerda mi estupor cuando comencé a familiarizarme con las computadoras en los
años sesenta, porque entendía que la computadora “leyera” las instrucciones del
programa y las transformara en acciones, pero no podía entender cómo y cuándo
procedía a leer la primera instrucción. Me explicaron lo obvio: esa primera
instrucción no era parte del programa “de papel” sino que estaba “alambrada”
dentro de las entrañas de la máquina.
Referencias
Nota a: La
informática comparada con otras disciplinas en mi Epistemología
e Informática.
Nota b: Primeros pasos: mundo del
ARN en La larga marcha: los orígenes
de la segunda colección, boque a.
Copyright © 2000 Claudio Gutiérrez