Eletrônica

Circuitos de DNA fazem computação biológica

Circuitos de DNA fazem computação biológica
Impressão artística das portas biológicas interconectadas. [Imagem: University of Washington]

Computação in vivo

Uma equipe de pesquisadores de biologia sintética demonstrou um novo método para processamento de informações digitais em células vivas, análogo às portas lógicas usadas nos circuitos eletrônicos.

Eles fabricaram um conjunto de genes sintéticos que funcionam nas células como portas NOR, comumente usadas em eletrônica, um circuito que recebe duas entradas e transmite um sinal positivo apenas se ambas as entradas forem negativas. Como se mostraram funcionalmente completas, essas portas NOR biológicas estão prontas para serem montadas em diferentes arranjos para compor circuitos de processamento de informações.

Tudo foi feito usando moléculas de DNA - em vez de componentes de silício e solda - e dentro de células de levedura. Os circuitos são os maiores já criados até hoje em células eucariontes, que, como as células humanas, contêm um núcleo e outras estruturas que permitem comportamentos complexos.

"Embora programas simples implementados em células nunca irão rivalizar com a velocidade ou a precisão da computação em silício, os programas genéticos podem interagir diretamente com o ambiente da célula," disse o professor Eric Klavins, da Universidade de Washington, nos EUA.

"Por exemplo, as células reprogramadas em um paciente poderiam tomar decisões terapêuticas direcionadas nos tecidos mais relevantes, evitando a necessidade de diagnósticos complexos e abordagens de amplo espectro para o tratamento," acrescentou o pesquisador, vislumbrando uma possibilidade futura ainda distante.

Circuitos de DNA fazem computação biológica
Com a integração alcançada, os circuitos podem começar a executar comportamentos realmente úteis. [Imagem: Miles W. Gander et al. - 10.1038/NCOMMS15459]

Computação biológica

Cada porta NOR celular consiste em um gene com três trechos programáveis de DNA - dois funcionam como entradas e o outro mostra o resultado. Os pesquisadores usaram uma tecnologia relativamente nova, conhecida como CRISPR-Cas9, para alvejar essas sequências de DNA específicas dentro de uma célula. A proteína Cas9 funciona como um porteiro molecular no circuito, sentado no DNA e determinando se uma porta específica estará ativa ou não.

Se uma porta estiver ativa, ela expressa um sinal que direciona a Cas9 para desativar outra porta dentro do circuito. Desta forma, é possível "ligar" as portas para criar programas lógicos na célula.

O que diferencia esse experimento dos anteriores, segundo a equipe, é a escala e a complexidade dos circuitos montados, que incluíram até sete portas NOR montadas em série ou em paralelo.

Nessas dimensões, os circuitos podem começar a executar comportamentos realmente úteis, com a possibilidade de obter informações de diferentes sensores ambientais e executar cálculos para decidir sobre a resposta correta.

Entre as aplicações imaginadas estão células imunes projetadas para sentir e responder a biomarcadores de câncer ou biossensores celulares que possam facilmente diagnosticar doenças infecciosas.

Bibliografia:

Digital logic circuits in yeast with CRISPR-dCas9 NOR gates
Miles W. Gander, Justin D. Vrana, William E. Voje, James M. Carothers, Eric Klavins
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 15459
DOI: 10.1038/NCOMMS15459




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