Nanotablet viabiliza programação da computação biológica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/04/2019

Esferas vermelhas, douradas e prateadas em um chip lipídico representam nanopartículas funcionalizadas com ligantes de DNA especialmente projetados. Os ligantes tornam programáveis as interações entre nanopartículas fixas e flutuantes, transformando assim um par receptor-flutuante em uma porta lógica. Essas portas lógicas de nanopartículas podem ser prontamente conectadas para formar circuitos complexos.
[Imagem: Nam Lab/SNU]

Computação biológica

Jinyoung Seo, da Universidade Nacional de Seoul, na Coreia do Sul, chama sua criação de "nanotablet", uma nova forma de computação biológica que vem se juntar a outras demonstrações recentes, como um processador molecular reprogramável e o protótipo de um biocomputador.

Ao contrário da abordagem mais tradicional da biocomputação, baseada em moléculas de DNA, Seo se inspirou no modo como as membranas celulares processam informações biológicas para criar uma plataforma que executa cálculos usando nanopartículas - o DNA ainda é essencial, mas a computação é dirigida pelas nanopartículas.

"Em nossa plataforma 'nanotablet lipídico', uma bicamada lipídica de suporte é usada como uma placa de circuito química para executar computação molecular com uma rede de nanopartículas. Essa nano-biocomputação traduz informações moleculares em uma solução (entrada) em montagem/desmontagem dinâmicas de nanopartículas sobre a bicamada lipídica (saída) e permite fazer uma computação em nanopartículas modular e escalonável," explicou o pesquisador.

De fato, na natureza a membrana celular pode ser vista como um análogo de uma placa de circuito impresso, uma vez que ela organiza uma ampla gama de nanoestruturas biológicas - proteínas, por exemplo - como unidades que interagem dinamicamente entre si na superfície 2D fluídica para realizar funções complexas - similares às funções computacionais.

Por exemplo, explica Seo, as proteínas sobre a membrana celular pegam sinais químicos e físicos como entradas - ligações químicas com moléculas, estímulos mecânicos, etc - e alteram as suas conformações ou as dimerizam como saídas.

Mais importante ainda, esses processos biológicos de computação ocorrem de maneira maciçamente paralela.

Esquema de leitura e micrografia da operação do nanotablet.
[Imagem: Jinyoung Seo et al. - 10.1126/sciadv.aau2124]

Nanotablet

No nanotablet foram usados dois tipos de nanopartículas, algumas móveis, chamadas flutuadoras, e outras fixas, chamadas receptoras. Devido à alta mobilidade, os flutuadores interagem ativamente com os receptores através do espaço e do tempo, funcionando como unidades ativas de computação. Para isso elas são funcionalizadas com fitas de DNA.

"As nanopartículas são funcionalizadas com ligantes de DNA especialmente projetados, e os ligantes de superfície tornam as interações receptor-flutuador programáveis, transformando assim um par de receptor e flutuador em uma porta lógica. Uma porta lógica de nanopartículas pega os filamentos de DNA em solução como entradas e gera eventos de montagem ou desmontagem das nanopartículas como saídas," explicou Seo.

Os cálculos ainda são simples, mas a grande inovação aqui é a criação de uma arquitetura escalonável para biocomputação, permitindo a integração sistemática de novas funções e conexões em uma plataforma que é essencialmente um grande circuito integrado de processamento biológico, que pode crescer conforme a necessidade.

"Uma ampla gama de aplicações potenciais poderão se beneficiar do controle algorítmico das características intrínsecas únicas e potencialmente úteis [do nanotablet], como propriedades fotônicas, plasmônicas, catalíticas, fototérmicas, optoeletrônicas, elétricas, magnéticas e materiais, tudo sem intervenção humana," disse Seo.

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