Com o computador biológico, cientistas criptografaram os logotipos do Scripps Research e do Technion em um único chip de DNA e, utilizando software, “descriptografaram” as imagens fluorescentes separadas mostradas na imagem. Crédito: divulgação/laboratório de Keinan.

Cientistas do Scripps Research Institute na Califórnia, EUA, e do Instituto de Tecnologia de Israel (Technion) desenvolveram um “computador biológico” feito inteiramente de biomoléculas e capaz de decifrar imagens criptografadas em chips de DNA. Apesar de DNAs terem sido utilizados na criptografia no passado, esta é a primeira demonstração experimental de um sistema criptográfico molecular de imagens baseado em computação de DNA. O estudo foi publicado em uma edição on-line recente da revista Angewandte Chemie.

Em vez de usar um hardware de computador tradicional, a equipe liderada por Ehud Keinan do Scripps Research e Technion criou um sistema de computação usando biomoléculas. Quando um software adequado foi aplicado ao computador biológico, ele pôde descriptografar, separadamente, imagens fluorescentes dos logotipos do Scripps Research Institute e do Technion.

Uma união entre biologia e ciência da computação

Para explicar a união dos dois campos de trabalho – biologia e ciência da computação – muitas vezes díspares, Keinan observa que um computador é, por definição, uma máquina feita de quatro componentes — hardware, software, entrada e saída. Computadores tradicionais sempre foram eletrônicos, máquinas onde ambas as entrada e saída são sinais eletrônicos. O hardware é uma composição complexa de componentes metálicos e plásticos, fios e transistores, e o software é uma sequência de instruções dadas para a máquina sob a forma de sinais eletrônicos.

“Em contraste aos computadores eletrônicos, existem máquinas de computação em que todos os quatro componentes não são nada além de moléculas,” Keinan disse. “Por exemplo, todos os sistemas biológicos e até mesmo a totalidade dos organismos vivos são como computadores. Cada um de nós é um computador biomolecular, uma máquina na qual todos os quatro componentes são moléculas que ‘falam’ entre si logicamente.”

O hardware e o software desses dispositivos, prossegue Keinan, são moléculas biológicas complexas que ativam uma a outra para efetuar algum trabalho químico predeterminado. A entrada é uma molécula que sofre alterações específicas, mudanças pré-determinadas, seguindo um conjunto específico de regras (software), e a saída deste processo computacional químico é outra molécula bem definida.

“Construindo” um computador biológico

Quando perguntado sobre como se parece um computador biológico, Keinan ri. “Bem, ele não é nada fotogênico”, responde. Este computador é “construído” combinando componentes químicos dentro de uma solução em um tubo. Várias moléculas pequenas de DNA são misturadas em solução com enzimas de DNA selecionadas e ATP. Este último é usado como fonte de energia do dispositivo.

“É uma solução clara — você não vê absolutamente nada,” diz Keinan. “As moléculas começam a interagir com outras, e podemos voltar atrás e ver o que acontece”. “E mexendo com o tipo de DNA e enzimas na mistura, os cientistas podem ajustar o processo para um resultado desejado”.

“Nosso dispositivo de computação biológico se baseia na concepção de 75 anos pelo matemático inglês, criptoanalista e cientista da computação Alan Turing,” disse Keinan. “Ele foi muito influente no desenvolvimento da ciência da computação, fornecendo uma formalização dos conceitos de algoritmo e computação, e jogou um papel significativo na criação do computador moderno. Turing mostrou convincentemente que usando este modelo você pode fazer todos os cálculos do mundo. A entrada da máquina de Turing é uma longa fita que contém uma série de símbolos e letras, a qual é uma reminiscência de uma cadeia de DNA. Uma cabeça de leitura corre de uma letra para outra e faz quatro operações em cada posição: 1) leitura da letra; 2) substituição dessa letra por outra; 3) mudança de seu estado interno; e 4) movimento para a posição seguinte. Uma tabela de instruções, conhecida por regras transicionais ou software, dita essas ações. Nosso dispositivo é baseado no modelo de um autômato finito que é uma versão simplificada da máquina de Turing”.

Propriedades biológicas únicas

Agora que demonstrou a viabilidade de um computador biológico, Keinan espera que este modelo vá competir com sua contraparte eletrônica?

“O interesse crescente em dispositivos de computação biomolecular não surgiu da esperança de que essas máquinas jamais pudessem competir com computadores eletrônicos, que oferecem maior velocidade, fidelidade e poder em tarefas de computação tradicional,” diz Keinan. “As principais vantagens do dispositivo de computação biomolecular sobre os computadores eletrônicos têm a ver com outras propriedades.”

“Como mostrado neste trabalho”, prossegue ele, “uma riqueza de informações pode ser armazenada e codificada em moléculas de DNA. Embora cada etapa de computação seja mais lenta que o fluxo de elétrons em um computador eletrônico, o fato de que trilhões dessas etapas químicas possam ser feitas em paralelo torna rápido todo processo de computação”. “Considerando o fato de que a tecnologia atual de micro matriz permite a impressão de milhões de pixels em um único chip, o número de imagens possíveis que podem ser criptografadas em tais chips é astronomicamente grande”.

“Além disso, como demonstrado em nosso trabalho anterior e outros projetos realizados em nosso laboratório, estes dispositivos podem interagir diretamente com sistemas biológicos e até mesmo com organismos vivos,” Keinan explica. “Nenhuma interface é necessária, uma vez que todos os componentes dos computadores moleculares, incluindo hardware, software, entrada e saída, são moléculas que interagem na solução ao longo de uma cascata de eventos químicos programáveis.” Ele acrescenta que, devido à capacidade do DNA para armazenar informações, as principais empresas de computadores ficaram extremamente interessadas no desenvolvimento de sistemas de computação baseada em DNA.

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