Três pesquisadores do Hamilton Institute da Irlanda desenvolveram um computador molecular, utilizando filamentos de DNA interagindo suspensos em água, capaz de realizar multiplicação, divisão e adição.
A equipe, composta pelo Professor Damien Woods, a Professora Assistente Dra. Abeer Eshra e o Dr. Tristan Stérin, publicou suas descobertas em um artigo na revista Nature. Eles afirmam que esta pesquisa abre novas avenidas para o armazenamento de dados de longo prazo, computação energeticamente eficiente e, eventualmente, sistemas moleculares operando dentro das células para casos de uso como a detecção de doenças.
Pesquisadores de DNA de Maynooth
O conceito parece surpreendentemente simples em visão geral, mas altamente intrincado na implementação. Os pesquisadores colocaram uma gota de água salgada dentro de um tubo de ensaio juntamente com fragmentos curtos de DNA e um andaime de DNA mais longo. O aquecimento e posterior resfriamento da mistura faz com que o DNA realize a computação. Woods comentou: “As moléculas interagem, formam uma estrutura e essa estrutura é a resposta. Uma inovação chave é que o sistema encontra naturalmente essa resposta sem entradas contínuas de energia.”
Apelidado de Computador de DNA com Andaime (SDC), ele usa longos filamentos de DNA de andaime como espinha dorsal. Centenas de filamentos mais curtos se prendem em locais de ligação pré-projetados para codificar bits. Essas ligações podem ser alteradas para editar dados como entrada para programas moleculares. As interações do DNA se comportam de maneira previsível, semelhante a blocos de Lego ou origami de DNA, e o mesmo hardware úmido pode executar programas moleculares distintos.
O resfriamento impulsiona o sistema em direção a um estado de equilíbrio termodinamicamente estável que codifica os resultados do algoritmo. A computação ocorre automaticamente à medida que o sistema atinge o equilíbrio. Os pesquisadores observam que isso elimina subsistemas de correção de erros separados, pois o sistema se acomoda naturalmente no estado de saída alvo.
A equipe executou dez programas, incluindo:
---Multiplicação por 3,
---Divisão por 2,
---Detecção de paridade de 8 bits,
---Adição de números de 25 bits — uma computação de 100 bits.
Em comparação com os padrões de silício, a computação permanece lenta, embora estabeleça novos marcos de velocidade dentro da computação de DNA. Um experimento que adicionou números variando aproximadamente de 11 milhões a 34 milhões levou até 14 horas para retornar resultados, enquanto o cálculo de 10 mais 3 terminou em 30 segundos. Os pesquisadores relatam que o SDC pode completar computações não triviais em apenas 30 segundos a um minuto, igualando os limites de velocidade de seus equipamentos de laboratório e representando os programas mais rápidos documentados na literatura de computação de DNA.
A Dra. Eshra disse: “A reação acontece rapidamente no tubo de ensaio, mas não tão rapidamente quanto o silício, nem é essa a intenção. Mas, em comparação com outros computadores de DNA, o nosso é o mais rápido.”
O dispositivo também é descrito como robusto e reutilizável, completando até 25 cálculos sequenciais distintos.
A complexidade deste trabalho pode ser vista em diagramas apresentados em seu artigo na Nature;
Visualizar o diagrama completo ajuda a ilustrar seu escopo.
Os pesquisadores escrevem em seu artigo na Nature: “Princípios de computação termodinâmica podem permitir o armazenamento robusto de dados em DNA.” Embora teoricamente viável, o acesso lento aos dados e a complexidade do sistema tornam o armazenamento de DNA em larga escala impraticável. As alegações de que a computação de silício, mesmo com consumo constante de energia, enfrenta ameaças dessa pesquisa financiada publicamente são claramente exageradas. Ainda assim, a computação molecular de DNA pode se mostrar valiosa para reprogramar células humanas, uma perspectiva empolgante.
O Professor Woods observou: “Esta é ciência de ponta. Não sabemos para onde o futuro nos levará.”
Tristan Stérin compartilhou um relato detalhado da pesquisa e suas origens.
Notas de rodapé
Esta pesquisa de computador de DNA recebe financiamento da UE no âmbito do projeto DISCO, Infraestrutura Baseada em DNA para Armazenamento e Computação. A iniciativa explora tecnologias de DNA para novos métodos de computação e armazenamento de dados. Financiado através do Desafio Pathfinder do Conselho Europeu de Inovação em Armazenamento de Dados Digitais Baseado em DNA, o projeto detém aproximadamente € 4 milhões ($ 4,6 milhões). Coordenado pelo Professor Woods e pelo grupo TAPDANCE da Maynooth University, seus parceiros incluem a Tilibit de Munique, especializada em origami de DNA, e a PRGM.dev / Major Groove, sediada em Paris.
TAPDANCE é o grupo de pesquisa Teoria e Prática de Motores de Computação de DNA dentro do Hamilton Institute e do Departamento de Ciência da Computação da Maynooth University, liderado pelo Professor Woods.
A Maynooth University é uma escola constituinte da National University of Ireland, sediada em Maynooth, County Kildare, Irlanda, a aproximadamente 25 km a oeste de Dublin.
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