Acredita-se que o DNA nos salvará dos computadores. Com os avanços na substituição do transistor de silício, os computadores de DNA prometem nos fornecer arquiteturas de computação paralela massivas que atualmente não são possíveis. Mas aqui está o problema: os microcircuitos moleculares que foram inventados até agora não tiveram absolutamente nenhuma flexibilidade. Hoje, usar o DNA para calcular é como “construir um novo computador com um novo hardware para executar um único programa”, diz o cientista David Doty.
Doty, um professor da Universidade da Califórnia, Davis, e seus colegas decidiram descobrir o que seria necessário para construir um computador de DNA que pudesse realmente ser reprogramado.
Computador DNA
Em um artigo publicado esta semana na revista Nature, Doty e colegas da Universidade da Califórnia e Maynooth demonstraram exatamente isso. Eles mostraram que um simples gatilho pode ser usado para forçar o mesmo conjunto básico de moléculas de DNA a implementar muitos algoritmos diferentes. Embora essa pesquisa ainda seja exploratória por natureza, algoritmos moleculares reprogramáveis podem ser usados no futuro para programar robôs de DNA que já entregaram drogas com sucesso às células cancerosas.
Em computadores eletrônicos como o que você usa para ler este artigo, os bits são unidades binárias de informação que dizem ao computador o que fazer. Eles representam o estado físico discreto do equipamento subjacente, geralmente na presença ou ausência de corrente elétrica. Esses bits - ou mesmo os sinais elétricos que os implementam - são transmitidos através de circuitos compostos de portas que executam uma operação em um ou mais bits de entrada e fornecem um bit como saída.
Ao combinar esses blocos de construção simples repetidamente, os computadores podem executar programas surpreendentemente complexos. A ideia por trás da computação de DNA é substituir os sinais elétricos por ácidos nucléicos - silício - por ligações químicas e criar software biomolecular. De acordo com Eric Winfrey, cientista da computação da Caltech e coautor do trabalho, os algoritmos moleculares usam a capacidade natural de processamento de informações embutida no DNA, mas em vez de dar controle à natureza, "o processo de crescimento é controlado por computadores".
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Nos últimos 20 anos, vários experimentos usaram algoritmos moleculares para coisas como jogar jogo da velha ou montar várias formas. Em cada um desses casos, as sequências de DNA tiveram de ser cuidadosamente projetadas para criar um algoritmo específico que geraria a estrutura do DNA. A diferença neste caso é que os pesquisadores desenvolveram um sistema no qual os mesmos fragmentos básicos de DNA podem ser ordenados para criar algoritmos completamente diferentes e, portanto, produtos finais completamente diferentes.
Esse processo começa com origami de DNA, um método de dobrar um longo pedaço de DNA na forma desejada. Esse pedaço enrolado de DNA serve como uma "semente" (semente), que inicia um transportador algorítmico, da mesma forma que o caramelo cresce gradualmente em um fio mergulhado em água com açúcar. A semente permanece praticamente a mesma, independentemente do algoritmo, e as alterações são feitas em apenas algumas pequenas sequências para cada novo experimento.
Depois que os cientistas criaram a semente, eles a adicionaram a uma solução de 100 outras fitas de DNA, fragmentos de DNA. Esses fragmentos, cada um consistindo de um arranjo único de 42 bases nucleicas (os quatro principais compostos biológicos que compõem o DNA), são retirados de uma grande coleção de 355 fragmentos de DNA criados por cientistas. Para criar um algoritmo diferente, os cientistas devem escolher um conjunto diferente de fragmentos iniciais. Um algoritmo molecular envolvendo passeio aleatório requer diferentes conjuntos de fragmentos de DNA que o algoritmo usa para contar. À medida que esses pedaços de DNA se unem durante a montagem, eles formam um circuito que implementa o algoritmo molecular escolhido nos bits de entrada fornecidos pela semente.
Usando esse sistema, os cientistas criaram 21 algoritmos diferentes que podem realizar tarefas como reconhecer múltiplos de três, escolher um líder, gerar padrões e contar até 63. Todos esses algoritmos foram implementados usando várias combinações dos mesmos 355 fragmentos de DNA.
É claro que escrever código jogando fragmentos de DNA em um tubo de ensaio ainda não funcionará, mas toda essa ideia é um modelo para futuras iterações de computadores flexíveis baseados em DNA. Se Doty, Winfrey e Woods conseguirem o que querem, os programadores moleculares de amanhã nem pensarão sobre a biomecânica subjacente a seus programas da mesma forma que os programadores modernos não precisam entender a física dos transistores para escrever um bom software.
Os usos potenciais para essa técnica de montagem em nanoescala são surpreendentes, mas essas previsões são baseadas em nosso conhecimento relativamente limitado do mundo em nanoescala. Alan Turing não pôde prever o surgimento da Internet, então pode haver algumas aplicações incompreensíveis da informática molecular.
Ilya Khel
