BIODULE : Introduccion a la Biologia Digital
S. Durand, A. Stauffer, D. Mange 
Laboratorio de Sistemas Logicos (LSL)
Escuela Politecnica Federal de Lausana (EPFL)
Sept. 94

Los ingenieros han estado tratando desde hace tiempo los problemas de
confiabilidad  por seguridad o por razones economicas. Numerosos metodos
han sido propuestos y basicamente consisten en la duplicacion o 
triplicacion de las partes mas debiles. Usualmente se hace a nivel
de modulos : procesadores, computadores, etc.
Cuando se observan los sistemas mas confiables que se pueden encontrar
hoy dia, los organismos vivos, uno nota que la confiabilidad resulta
de un proceso que toma lugar a un nivel mas basico : a nivel de la
celula.
En el LSL-EPFL se han tratado de identificar los mecanismos que brindan
tal alta confiabilidad a los seres vivos. En particular se considera
el proceso de autoreparacion.
Un circuito artificial que se ha llamado BIODULE y que cuenta con tales 
propiedades pseudo-biologicas ha sido construido.

En los organismos multicelulares la caracteristica mas impresionante
es que cada celula contiene la descripcion completa del organismo 
(genoma) en su ADN. 
Como consecuencia, una celula puede potencialmente asumir 
cualquiera de las funciones del organismo, y que de hecho es lo que
ocurre en el desarrollo de un ser vivo.
El ADN esta hecho de 4 moleculas (Adenina, Citosina, Guanina, Timina), 
por tanto puede considerarse como un programa codificado en logica de
base 4.

El desarrollo de un organismo comienza con una celula que primero
copia su ADN y despues se divide en 2 celulas identicas. El proceso
se repite para cada nueva celula hasta que el organismos esta comple-
tamente formado.
Diferentes celulas tienen que asumir diferentes trabajos para construir
una criatura viviente. La secuencia de moleculas en el ADN describe
como construir el organismo entero, luego cada celula se interesa solo 
en una pequenha fraccion de la secuencia. Para ello se requiere de un
agente externo (a la celula en desarrollo), que segun los biologos 
corresponde a quimicos que permiten o inhiben la decodificacion de
algunas partes del genoma. 

Como el crecimiento del silicio no es posible a nivel de un chip,
la idea es de copiar funciones en lugar de celulas. 
Al inicio un circuito contiene celulas cuya funcion no es fija y 
que puede ser programada como se desee. El tipo de dispositivos que
permite dicha programabilidad y reprogramabilidad son los FPGAs (Field
Programmable Gate Arrays).
Una FPGA consiste usualmente en un arreglo bidimensional de celdas
identicas (en las cuales se pueden implementar funciones basicas),
separadas por canales de interconexion, y rodeado por celdas de I/O.
Cada celda contiene una memoria de configuracion local que determina 
su funcion (en el caso de FPGAs basadas en celdas RAM de Xilinx).

Una FPGA puede ser vista como un circuito compuesto de dos niveles :
el nivel de aplicacion (funciones logicas) y el de configuracion 
(nivel al cual se desean implementar las propiedades biologicas.
Existe un gran numero de FPGAs comerciales, sin embargo ninguna
satosface las necesidades para este proyecto, para ello el LSL ha 
desarrollado una FPGA basada en multiplexores en el nivel de 
aplicacion. A nivel de configuracion, cada celula contiene la
descripcion completa del sistema (genoma), y las coordenadas de la
celula determinan en el genoma el gen (su funcion) que le corresponde 
(diferenciacion celular).

La configuracion del arreglo parte de una celula que copia su genoma 
a la celula norte y/o este configurable.

Cuando se detecta una falla en una celula, se inactiva la columna
donde se encuentra dicha celula, y se modifican las coordenadas de
las otras celulas (hay un corrimiento de una columna).