Este artículo describe el chip de ADN biológico y su emulación en electrónica digital y análoga. Se propone un diseño de chip ADN análogo implementado en un FPAA utilizando el programa Anadigm Designer 2TM. El chip ADN análogo compara las señales de entrada con señales de prueba considerando parámetros como amplitud, fase y frecuencia. Se ilustra la utilidad del chip ADN análogo como demodulador QPSK.

1. Chip ADN Electrónico en FPAA
G. González, A. Rodríguez
Estudiantes Ingeniería Electrónica
A. Delgado
Profesor – Investigador
adelgado@ieee.org
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
ABSTRACT
DNA chips are currently used for studies of gene expression in medical diagnosis exploiting the parallelism
of DNA hybridization.. In this paper, an electronic DNA chip is proposed and implemented using the
design environment of Anadigm Designer 2TM, this analogue DNA chip is illustrated with a demodulation
example.
RESUMEN
El estudio de la molécula de ADN trajo consigo investigaciones en búsqueda de aplicaciones en distintas
áreas. Este artículo describe el chip de ADN biológico, su emulación en electrónica digital, y se propone un
diseño análogo implementado en FPAA a través del programa Anadigm Designer 2TM.

2. Chip ADN Electrónico Análogo en FPAA
G. González, A. Rodríguez
Estudiantes de Ingeniería Electrónica
A. Delgado
Profesor – Investigador
adelgado@ieee.org
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
RESUMEN
El artículo está organizado como sigue. La sección
El estudio de la molécula de ADN trajo consigo dos presenta los fundamentos de la molécula de
investigaciones en búsqueda de aplicaciones en ADN, la sección tres describe el chip de ADN
distintas áreas. Este artículo describe el chip de biológico y sus aplicaciones. La sección cuatro
ADN biológico, su emulación en electrónica digital, especifica la emulación digital, y la sección cinco
y se propone un diseño análogo implementado en propone el diseño análogo. En la sección seis se
FPAA a través del programa Anadigm Designer presenta la implementación del chip ADN análogo
2TM. en FPAA usando el programa Anadigm Designer 2.
Un FPAA es el equivalente análogo del FPGA, y
1. INTRODUCCIÓN AnadigmTM es un programa que permite el diseño
de circuitos análogos complejos y el procesamiento
El ADN es la molécula responsable de las de funciones en un FPAA. La sección siete ilustra la
características genéticas de los seres vivos, el utilidad de un chip ADN análogo en un
descubrimiento de su composición ha sido un tema demodulador QPSK. Finalmente en la sección ocho
de gran importancia en el progreso de la se formulan las conclusiones.
humanidad, no sólo desde el punto de vista del
conocimiento básico, sino también en el diseño de 2. LA MOLÉCULA DE ADN
estrategias efectivas para enfrentar diversos
problemas médicos, como el cáncer. El estudio de la La hélice de ADN es una molécula compuesta por
molécula de ADN ha desencadenado varias dos largas cadenas, cada una tiene grupos de
investigaciones en áreas como la electrónica, que azúcares y fosfatos, unido a cada azúcar existe un
buscan emular su comportamiento en el diseño de grupo molecular denominado base, esta
controladores. El chip electrónico de ADN emula combinación de azúcar-base-fosfato se denomina
el chip biológico al comparar la cadena de entrada nucleótido, así que las cadenas son conocidas como
al sistema con cadenas de prueba previamente polinucleótidos [1]. En la figura 1 se observa la
almacenadas, de modo que si las cadenas son estructura de doble hélice del ADN.
complementarias se produce la hibridación
electrónica o activación de reglas. Las dos cadenas de polinucleótidos del ADN están
unidas mediante enlaces de hidrógeno entre las
El objetivo de este documento es explorar los bases, una base sólo puede estar entrelazada con su
fundamentos del chip ADN biológico, su emulación complementaria. Las bases son cuatro : Adenina
digital, y el planteamiento de un diseño en (A), Tiamina (T), Guanina (G), y Citosina (C), la
Adenina enlaza con la Timina mediante dos puentes
electrónica análoga con FPAA.

3. de hidrógeno, mientras que la Citosina enlaza con la 4. CHIP ADN ELECTRÓNICO DIGITAL
Guanina mediante tres puentes de hidrógeno, esto se
conoce como el complemento de Watson – Crick. La emulación en electrónica digital del chip de
ADN representa con cadenas binarias a las
moléculas de ADN de prueba y objetivo [2].
Cuando existe un registro objetivo (entrada), cada
bit de este se evalúa a través de la función XOR con
los bits de los registros prueba, de modo que si
alguno de los registros prueba es complementario,
por el criterio de Watson-Crick, a la cadena de
entrada, habrá una hibridación exitosa. Dicha
hibridación origina una cadena de unos, que son
procesados con una compuerta AND, activando así
Fig. 1. Estructura de doble hélice de la molécula de ADN [1]. una bandera. Una de las grandes ventajas del chip
ADN electrónico es el procesamiento paralelo, ver
3. CHIP ADN BIOLÓGICO figura 3.
El chip de ADN biológico consiste en una Cuando se está implementando el chip de ADN para
plataforma de vidrio donde hay un gran número de controlar un dispositivo, las banderas de salida del
puntos (figura 2a), cada punto contiene miles de chip, se procesan a través de codificadores y
cadenas de ADN sencillas de igual secuencia (orden multiplexores que permitan elegir la respuesta
de las bases). Estas moléculas sencillas constituyen deseada a determinada entrada.
lo que se conoce como cadenas de prueba.
El chip de ADN se inyecta con cadenas sencillas de
ADN marcadas con un químico fluorescente y
denominadas cadenas objetivo. Si las cadenas
objetivo son complementarias en el sentido Watson
- Crick a alguna de las cadenas prueba, ocurre
hibridación, formándose una hélice de DNA
fluorescente y por lo tanto un punto brillante, como
lo muestra la figura 2b.
Fig. 3. Chip ADN electrónico diseñado digitalmente [2].
5. CHIP ADN ELECTRÓNICO
Fig. 2. (a) Organización matricial del chip ADN. (b) Doble
ANÁLOGO
hélice fluorescente producida por la hibridación exitosa [2].
En la figura 4 se propone la versión análoga del
Las aplicaciones del chip de ADN biológico se chip ADN, en este caso no se habla de registros de
centran particularmente en el diagnóstico de entrada y de prueba, en cambio se usan señales de
enfermedades, el desarrollo de nuevos entrada y de prueba. Las señales de prueba no
medicamentos, y la detección de organismos tienen ser señales variantes en el tiempo para
biológicos de alta peligrosidad. utilizar, en ciertas aplicaciones, parámetros como
amplitud, frecuencia y fase.

4. AD soporta los chips AN220E04, AN120E04, cada
uno tiene cuatro entradas y dos salidas, y los chips
AN221E04, AN121E04, en los cuales las celdas
pueden ser configuradas como celdas de entrada o
de salida, a ellas pueden conectarse un generador, o
un osciloscopio, respectivamente. Una vez se tiene
el circuito deseado sin errores, se ubica el
osciloscopio - el cual cuenta con cuatro canales -
en los lugares donde se desea visualizar la señal, se
establecen las características del tiempo de
simulación y se simula la configuración. Además de
la abstracción por medio de CAMs, AD permite
diseñar filtros y controladores PID.
6.2. Implementación del Chip ADN Análogo en
Anadigm
Fig. 4. Chip ADN electrónico diseñado analógicamente. Para implementar cada una de las celdas del chip
ADN en Anadigm se siguió el esquema mostrado en
la figura 5.
6. CHIP ADN EN FPAA
Un FPAA (Field Programmable Analog Array) es
un arreglo análogo programable por campo, es
decir, es el equivalente análogo de un FPGA. El
FPAA proporciona al diseñador la capacidad de
describir funciones análogas, así como etapas de
ganancia y filtros sin referencia a las funciones
subyacentes. Gracias a este alto nivel de Fig. 5. Celda del chip ADN electrónico análogo.
abstracción, el proceso de diseño es muy simple,
permitiendo crear circuitos sofisticados que Lo que se logra con este esquema es encontrar la
requerirían mucho tiempo de trabajo con ASICs [3]. diferencia de tensión entre la señal de entrada y la
señal de prueba, para determinar la igualdad de las
6.1. Descripción del Anadigm DesignerTM dos señales, la diferencia entre ellas debe ser
aproximadamente 0V. Los comparadores se
El software Anadigm Designer (AD) provee al encargan de informar si la diferencia entre las
usuario la capacidad de configurar fácilmente un señales es mínima, en nuestro caso entre -0.05 y
FPAA, que se representa como un chip, y permite el 0.05 V. Cuando la diferencia se encuentra entre los
diseño de señales análogas y el procesamiento de limites los comparadores envían una señal positiva
funciones en un dispositivo integrado. AD se basa de lo contrario un comparador arrojará una tensión
en la creación y evaluación rápida de circuitos positiva y el otro arrojará una tensión de igual
análogos, que son montados en el chip magnitud pero negativa, por lo tanto al ingresar al
seleccionando los módulos de análogos sumador estas señales se tendrá en la salida una
configurables o CAMs, los cuales se conectan para señal positiva cuando la señal de entrada sea
formar un circuito más complejo. Cuenta también aproximada a la señal de prueba y cero en otro caso.
con configurabilidad dinámica, de modo que las
funciones análogas son simuladas en tiempo real. En la figura 6 se muestra la implementación del
chip ADN en AD.

5. Fig. 6. Chip de ADN electrónico implementado en AD.
Fig. 8. Chip ADN como modulador QPSK.
En la simulación de la figura 7, se puede observar Al simular el circuito se puede ver que solo cuando
el comportamiento de la bandera al aplicarse una la señal de entrada está en fase y tiene magnitud
señal de entrada y teniendo una señal de prueba DC. igual a una de las señales de prueba la bandera o
salida de esta se activa, la señal de bandera activa se
puede enviar a un multiplexor para obtener los datos
enviados por el modulador.
Fig. 7. Simulación de una bandera del chip de ADN.
Se puede ver que cuando la señal de entrada, verde,
es igual a la señal de prueba, amarilla, la bandera se
Fig. 9. Simulación de chip como modulador QPSK
activa tomando un valor positivo, púrpura.
8. CONCLUSIONES
7. EJEMPLO
La molécula de ADN es el portador de la
Para ilustrar la emulación análoga del chip ADN se
información genética en seres vivos, de ahí su
ha diseñado un demodulador QPSK [4]. La teoría
importancia y el deseo de entender su composición
de la modulación QPSK dice que por el mismo
y funcionamiento. El chip de ADN utiliza el
canal serán enviados una de estas cuatro señales:
principio de Watson - Crick y el paralelismo de la
A.sen(ω.t + 45º), A.sen(ω.t + 135º), A.sen(ω.t -
hibridación para el diagnóstico de enfermedades y
45º), A.sen(ω.t - 135º). Haciendo un amarre de fase
se podrían tener estas señales en el demodulador y la búsqueda de nuevos medicamentos.
luego serían tomadas como las señales de prueba
para el chip ADN. El chip de ADN electrónico permite controlar

6. procesos y el comportamiento de dispositivos [2].
Un chip ADN análogo se puede sintetizar
fácilmente con la tecnología de Anadigm [3] gracias
a los bloques configurables y la facilidad del
entorno de diseño del Anadigm Designer 2TM.
Una ventaja que tiene el chip de ADN análogo
contra el digital es que se pueden agregar señales
variantes en el tiempo logrando comparaciones no
solo de magnitud sino también de fase y frecuencia.
REFERENCIAS
[1] Delgado, A.: DNA Chips as Lookup Tables for
Rule Based Systems, IEEE Computing and Control
Journal, 13, 113-119, 2002. Disponible en:
www.ieee.org/OnComms/pn/materials/library.cfm,
último acceso Septiembre 2003.
[2] Delgado, A: Robot Controller Using Electronic
DNA Chip, Memorias Congreso Internacional
de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Bogotá,
Marzo, 2003.
[3] Anadigm Designer2 ®. Anadigm The
Programmable Analog Company.
http://www.anadigm.com
[4] Leon, Couch : Sistemas de Comunicaciones
Digitales y Análogas, 5ta Edición, Prentice Hall,
1997.