Primeiro processador molecular reprogramável

Redação do Site Inovação Tecnológica -  01/04/2019

Representação artística do biocomputador de DNA. [Imagem: Caltech]

Processador de DNA reprogramável

Os processadores moleculares, que fazem cálculos usando moléculas de DNA, ficaram mais versáteis - eles agora são reprogramáveis.

Uma equipe do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos EUA, criou um processador químico de múltiplos usos demonstrando pela primeira vez a chamada "automontagem algorítmica", na qual o mesmo hardware pode ser configurado para executar diferentes softwares.

Em outras palavras, não é preciso construir o processador químico no sentido em que se constrói um processador eletrônico: O sistema funciona por automontagem, no qual pequenas fitas de DNA especialmente projetadas se unem para montar um circuito lógico e executam simultaneamente o algoritmo do circuito.

Nanoaplicativos

O sistema é análogo a um computador eletrônico, com a diferença de que o papel desempenhado por transistores e diodos é feito por moléculas, que trabalham com números binários de seis bits - por exemplo, 011001 - tanto como entrada, durante a computação e como saída.

As demonstrações envolveram algoritmos que determinam se cada número de 1-bit na entrada é ímpar ou par, enquanto outro determina se a entrada é um palíndromo, e ainda outro gera números aleatórios.

"Pense neles como nanoaplicativos," disse o pesquisador Damien Woods. "A capacidade de executar qualquer tipo de software sem ter que alterar o hardware é o que permitiu que os computadores se tornassem tão úteis. Estamos implementando essa ideia em moléculas, essencialmente incorporando um algoritmo dentro da química para controlar processos químicos."

Todo o hardware - as portas lógicas - é feito de DNA, e os cálculos são feitos conforme as moléculas vão interagindo. [Imagem: Damien Woods et al. - 10.1038/s41586-019-1014-9]

Bio-hardware flexível

Enquanto os computadores eletrônicos digitais usam a eletricidade que flui através dos seus componentes semicondutores para manipular a informação, no bioprocessador a computação é feita conforme as linhas de filamentos de DNA vão se juntando. Começando com os seis bits originais, que representam a entrada, o sistema adiciona linha após linha de moléculas, executando progressivamente o algoritmo.

O resultado final é um tubo de ensaio cheio de bilhões de algoritmos já executados, cada um parecido com um "cachecol" tricotado com moléculas de DNA, representando uma leitura do cálculo. O padrão em cada cachecol fornece a solução para o algoritmo que estava sendo executado.

O sistema pode ser reprogramado para executar um algoritmo diferente simplesmente selecionando um subconjunto diferente de trechos das cerca de 700 fitas de DNA que constituem o sistema.

Este é um avanço significativo rumo à computação de base biológica porque libera os cientistas da biocomputação dos trâmites envolvidos na construção do próprio processador.

"A engenharia da computação superou essa barreira projetando máquinas que são reprogramáveis em um alto nível - então os programadores de hoje não precisam conhecer a física dos transistores. Nosso objetivo neste trabalho foi mostrar que os sistemas moleculares podem ser programados em alto nível, para que, no futuro, os programadores moleculares possam liberar sua criatividade sem ter que dominar várias disciplinas," disse o professor Erik Winfree.

Bibliografia:

Diverse and robust molecular algorithms using reprogrammable DNA self-assembly
Damien Woods, David Doty, Cameron Myhrvold, Joy Hui, Felix Zhou, Peng Yin, Erik Winfree
Nature
Vol.: 567, pages 366-372
DOI: 10.1038/s41586-019-1014-9