Computação com DNA ganha registradores e fica rápida e regravável

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/12/2024

Este é o registrador, que pela primeira vez dispensa a manipulação de frascos contendo as moléculas de DNA.
[Imagem: Qian Zhang et al. - 10.1021/acscentsci.4c01557]

Armazenamento e computação

O armazenamento de dados em moléculas de DNA já se mostrou capaz de atingir densidades de dados muito além do que é possível com outras tecnologias, e mesmo a computação com DNA tem apresentado progressos consistentes.

Em mais um passo em direção a esse objetivo - usar as moléculas de DNA na computação - pesquisadores criaram agora um método de computação sequencial de DNA que também é regravável, assim como os computadores atuais.

Nos organismos vivos, a expressão do DNA ocorre sequencialmente: Os genes são transcritos em RNA, que é traduzido em proteínas. Esse processo acontece com muitos genes, simultânea e repetidamente. Se for possível replicar essa dança complexa em computadores baseados em DNA, esses dispositivos teoricamente poderão se tornar máquinas realmente poderosas, ocupando nichos onde poderão até mesmo superar as atuais máquinas baseadas em silício.

Embora já tenham sido demonstradas computações usando DNA, o processo leva horas e alguém tem que transferir manualmente as moléculas de um frasco para outro para cada nova operação de computação.

Qian Zhang e colegas da Universidade Shanghai Jiao Tong, na China, deram agora um jeito de acelerar isto.

Como funciona a computação com DNA

O processo de computação em DNA funciona assim:

1. Os dados, 0 ou 1, são representados por um pequeno pedaço de DNA de fita simples, denominado oligonucleotídeo, que contém uma série de bases: adenina, timina, guanina e citosina. Por exemplo, duas entradas de 1 (fitas de DNA 1 e 2) interagem com uma molécula de DNA, compondo uma porta lógica OR.
2. Então, em um tubo cheio de líquido, o oligonucleotídeo de entrada interage com uma molécula de DNA - que funciona como uma porta lógica - e gera um oligonucleotídeo de saída.
3. O oligonucleotídeo de saída se liga a um DNA de fita simples diferente, que foi dobrado em uma estrutura semelhante a um origami, chamada de registrador, na linguagem da informática.
4. O oligonucleotídeo é lido através da revisão da sua sequência de bases, liberado e lançado em um frasco contendo a porta seguinte, e assim por diante.

A computação com DNA agora leva minutos, em vez de horas, e pode ser totalmente automatizada.
[Imagem: Qian Zhang et al. - 10.1021/acscentsci.4c01557]

Automação da computação em DNA

Para automatizar isto, além de tornar os processos de reação mais eficientes e mais compactos, a equipe primeiro colocou o registrador de origami de DNA em uma superfície 2D de vidro sólido. O oligonucleotídeo de saída flutuando no líquido a partir de uma porta lógica específica é então conectado ao registrador montado no vidro.

Depois que o oligonucleotídeo de saída é lido, e seguidas as instruções da porta lógica, ele é desanexado, o que zera o registrador, permitindo que ele possa ser reescrito, evitando assim a necessidade de mover ou substituir registradores, eliminando a necessidade de manipulação de frascos.

Os pesquisadores também projetaram um amplificador, que aumenta o sinal de saída para que todos os componentes - portas lógicas, oligonucleotídeos e registradores - possam se encontrar mais facilmente. Em uma demonstração de prova de conceito, todas as reações de computação no DNA ocorreram em um único tubo em 90 minutos.

"Esta pesquisa abre caminho para o desenvolvimento de circuitos de computação de DNA em grande escala e alta velocidade e estabelece as bases para depuração visual e execução automatizada de algoritmos moleculares em DNA," disse o professor Fei Wang.

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