segunda-feira, 28 de janeiro de 2008

Computador de DNA

por Raphael Monteiro - Se você é interessado em informática e sabe basicamente como um computador eletrônico funciona provavelmente ficaria espantado com a similaridade com que o DNA realiza os seus processos de tradução, transcrição e replicação.

Foi pensando nesta similaridade que os cientistas de várias partes do mundo vem desenvolvendo independentemente pesquisas para o desenvolvimento de um “Computador de DNA”, ao contrário do que se possa imaginar, as pesquisas já se encontram em estágio avançado, e alguns países já possuem unidades operacionais do computador de DNA, entre estes países podemos citar Israel e Japão, é neles onde a pesquisa se encontra em estágio mais avançado

Capacidade:
Da mesma maneira que um computador eletrônico comum possui HD e processador, estes componentes se encontram no computador de DNA, onde a própria de molécula de DNA seria o HD por assim dizer e o processador são as enzimas que irão atuar sobre esta molécula de DNA, porém a forma com que os dados são tratados em nada se assemelha com a forma tradicional com que estamos acostumados.

Quando comparado com um computador comum, os dados nos surpreendem, utilizando o computador Israelense como base (a capacidade dos computadores biológicos de outros países em pouco se diferencia do Israelense), o computador de DNA pode executar 330 trilhões de operações por segundo, mais que 100.000 vezes o computador pessoal mais rápido. Mais surpreendente ainda é sua capacidade de armazenamento pois apenas um grama de DNA contém tanta informação quanto se pode armazenar em cerca de 1 milhão de cd's convencionais. A principio parece difícil, mas basta lembrar que o DNA possui todas as informações necessárias para que uma célula se mantenha viva, interaja de maneira harmônica com as outras células ao seu redor e ainda que seja uma molécula estável para que não sofra modificações em sua estrutura (permanência de dados por até milhões de anos sem alteração) no entanto esta molécula ocupa cerca de 0,3 % do volume total do núcleo de uma célula, repare que a comparação foi feita com relação ao núcleo da célula, agora imagine quantas destas moléculas caberia em uma gota contendo apenas DNA puro. Desta maneira se torna possível entender a capacidade do computador molecular.

Fisicamente falando, em um computador eletrônico convencional é necessário um volume de cerca de 10 elevado a 12 nanômetros cúbicos para que se possa armazenar 1 bit de informação, enquanto o computador de DNA necessita apenas 1 nanômetro cúbico por bit. Outro fator interessante é que ele também não consome energia elétrica, segundo os pesquisadores é claro que isto não salvará as reservas energéticas de nosso planeta, até porque este não é o foco da pesquisa, mas esta é uma característica operacional do computador de DNA, e dados pode ser trabalhados e analisados (tarefa comum de um computador) sem o uso de energia, para entender basta lembrar que o computador de DNA trabalha com reações químicas enzimáticas, e este tipo de reação não demanda gasto de energia elétrica, quimicamente falando estas são umas das reação que menos demandam energia. Este processo será explicado com mais detalhes ao longo deste texto.

Funcionamento:
Para entendermos o seu funcionamento vamos fazer uma viagem ao ano de 1936, este ano é marcado com o invento da Máquina de Turing, criada pelo matemático britânico Alan Turing, este dispositivo conceitual usava um mecanismo que trabalhava com duas fitas de papel dividas em células. A máquina movia ambas as fitas ao mesmo tempo, lendo os símbolos escritos na fita de entrada de dados. No final ela ela responderia sim ou não para uma lista de símbolos de entrada, como exemplo, se a fita de entrada fosse marcada com letras A e B, ela poderia responder se existe um número par ou ímpar de B's. O grande salto que essa máquina representou para a informática como a conhecemos, é que na máquina de Turing os dados eram recebidos por códigos em seqüência binária, 0101110011, e executava 4 operações básicas distintas para processar uma resposta: Transformar 1 em 0, 0 em 1 e mover para frente ou para trás na seqüência de informações. Comparando com um computador eletrônico atual por mais rápido ou complexo que seja, o seu princípio básico de funcionamento se reduz ao de uma máquina de Turing.

Da mesma maneira, a molécula de DNA é organizada por uma série de ácidos nucléicos organizados de maneira seqüêncial, é possível portanto estipularmos valores binários para seqüências de nucleotídeos, lembrando que no DNA existem 4 bases, Adenina, Citosina, Guanina e Timina, ou seja A, C, G e T, podemos então considerar por exemplo uma seqüência de ATACG = 1 e TACCG= 0. Desta maneira utilizando reações químicas, enzimas de restrição, e reações de polimerase, técnicas corriqueiras de trabalho com DNA, podemos produzir uma seqüência artificial de DNA com exatamente todos os nucleotídeos que desejamos e com esta seqüência, efetuarmos todas as 4 operações básicas de uma máquina de turing utilizando as mesmas técnicas que são utilizadas hoje para estudo e análise do DNA. Somente como exemplo, para entendermos com isto funciona, existem moléculas (enzimas) que podem retirar um dado nucleotídeo de um ponto do DNA e o anexar em outro ponto no mesmo DNA, como pode ocorrer com seqüências inteiras, com técnicas de biotecnologia hoje podemos selecionar qual trecho será retirado, e onde ele será anexado, trabalhando assim como um computador, esta foi apenas uma reação das inúmeras que podemos controlar artificialmente em uma molécula de DNA.

Silício x DNA
Ao se considerar apenas uma molécula de DNA isolada, os computadores eletrônicos baseados no silício atuais são muito mais rápidos, porém são prejudicados por trabalharem apenas com uma operação por vez, mas como dito, o fazem de maneira extremamente veloz, já o computador de DNA trabalha de maneira oposta, aparentemente é mais lento, porém pode trabalhar simultaneamente com trilhões de moléculas de DNA efetuando a mesma reação ou não, a soma de todas as moléculas juntas ultrapassam e muito a velocidade de cálculo de um computador tradicional, é como se comparássemos a uma rede cluster, onde trilhões (numero impossível de computadores convencionais) de 486 juntos são mais rápido que o mais rápido computador unitário atual. Para entendermos basta voltar na comparação de quantas moléculas de DNA cabem em apenas uma gota, e que cada molécula de DNA pode ser considerada um computador molecular isolado, que enzimas diferentes podem trabalhar em mais de uma molécula, e que em uma molécula de DNA pode conter dezenas de enzimas trabalhando ao mesmo tempo, ou seja, efetuando operações diferentes. Daí vem o segredo de sua velocidade, uma gota contendo DNA puro pode ser cerca de 100.000 vezes mais rápida que um computador atual.

Leitura de Dados:
O computador de DNA ainda é algo restrito, considerado por alguns apenas uma curiosidade de laboratório, devido a dificuldade na leitura de dados. Esta é feita pelo processo de eletroforese.

A eletroforese é um processo simples utilizado em larga escala em laboratórios de genética, ela se basea no fato de que como um ácido (Ácido Desoxirribonucleico, daí a sigla DNA) a mólecula de DNA apresenta cargas positivas, e desta maneira é atraído por cargas negativas, como um ímã. Então é preparado em um recipiente próprio um gel de agarose condutor de eletricidade, onde em um extremo é inserido um fio de polo positivo e na outra um fio de polo negativo. O DNA é então corado, isto pode ser feito de diversas maneiras, existem colorações que se tornam fluorescente quando iluminadas com luz negra, ou coloração simples, isto varia de acordo com o estudo que será feito, pois como dito antes a eletroforese é um processo utilizado em diversos estudos de genética. Após corada, a solução contendo DNA é injetada por micropipeta no gel devidamente preparado, quando os fios são acionados uma carga elétrica atravessa o gel, e o DNA é atraído até a extremidade onde contém o polo negativo, porém o DNA não é uma molécula linear, e sim espiral enrolado sobre si mesmo, o gel serve como resistência a sua passagem, desta maneira os trechos mais finos atravessam o gel mais rapidamente que os trechos mais enovelados, então são formados trechos onde contem maior concentração DNA que nas outras regiões, estes trechos são chamados de “bandas”. Através da análise destas bandas que podemos ler o resultados das operações realizadas. A título de curiosidade, é através deste processo, por análises da bandas que se formam, que são feitos teste criminais, de paternidade entre outros.

Hoje em dia já existem aparelhos de análise isolada de nucleotídeos, onde cada um é contado individualmente de maneira optica, este aparelho é chamado de eletroforese capilar, os resultados aparecem em forma de gráficos na tela de um computador, porém os resultados são basicamente os mesmo que o de uma eletroforese tradicional.

Aplicações práticas:
Muitos cientistas ainda analisam com ceticismo o uso do computador de DNA, muitos o consideram apenas uma curiosidade de laboratório, mas hoje em dia muito já foi feito com estes computadores.

A uma primeira análise estes computadores se tornam ideiais para resolução de problemas binomiais e hamiltonianos, onde para se chegar no resultado final, milhares de análises por tentativa e erro são feitas até se atingir um resultado satisfatório, este é o fraco dos computadores atuais, pois dependendo da base de um algorítimo mesmo o computador mais rápido atualmente pode levar semanas, meses, para resolver um problema, ou ainda considerar o problema intratável. Por exemplo, caso um algorítimo de base 10 demore 100 microssegundos para ser resolvido pelo computador atual mais rápido, se almentarmos essa base para 100, o tempo para resolução do mesmo problema seria da ordem de de 10 elavado a 11 séculos para ser resolvido, e assim o problema é considerado intratável. Pois o computador passaria séculos analisando cada caminho até chegar a resposta certa, já com o computador de DNA este problema deixa de existir, pois todos os caminhos podem ser analisados ao mesmo tempo e a resposta é atingida instantâneamente. Pesquisadores já analisam a ideia de computadores que combinariam as duas tecnologias, a eletrônica para tarefas básicas e a molecular para apliacações específicas.

Mas os seus idealizadores acreditam que sua principal aplicação será no campo da saúde, atuando como um mecanismo de identificação, diagnostico e tratamento de doenças, como câncer, infecções e viroses. Segundo seus pesquisadores, uma molécula de DNA pode servir como computador central de mecanismos nanométricos, como um vírus modificado por exemplo, e então poder circular com facilidade dentro no nosso organismo, ele pode servir para identificar doenças, ou levar novas instruções genéticas para um órgão com algum problema genético, como o pâncreas por exemplo, com esta nova informação genética este órgão voltaria a funcionar produzindo insulina novamente, outra forma de atuação seria na liberação de substancias controladas, servindo como um dosador de medicamentos. Estas são algumas promessas da tecnologia de DNA, algumas são previstas para somente daqui a 50 anos, porém outras, afirmam seus pesquisadores, podem facilmente ser atingidas dentro de 10 anos.

Sites para mais leituras:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Computador_de_DNA
http://www.htk.com.br/noticia.php?noticia=195
http://www.mundopt.com/n-computador-feito-de-dna-8621.html



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