Eletrônica analógica imita reações em células vivas

Larry Hardesty - MIT - 24/01/2012

Os circuitos analógicos imitam os comportamentos da célula com uma precisão notável, e fazem isto com muito menos transistores do que um circuito digital.
[Imagem: Christine Daniloff]

Mundo digital

Conforme o mundo se torna menos analógico e mais digital, o jeito de pensar dos engenheiros também está mudando.

No mundo analógico, eles costumavam pensar principalmente em termos de quantidades, como a tensão, que são contínuas, ou seja, elas podem ter uma gama infinita de valores.

Agora, eles tendem a pensar mais em termos de 0s e 1s, as oposições binárias da lógica digital.

Desde a conclusão do Projeto Genoma Humano, duas prósperas novas disciplinas - biologia sintética e biologia de sistemas - surgiram da observação de que, em alguns aspectos, as sequências de reações químicas que levam à produção de proteínas nas células são muito parecidas com os circuitos eletrônicos.

Em geral, os cientistas nos dois campos tendem a analisar as reações em termos de oposições binárias: se uma substância química está presente, uma coisa acontece; se o produto químico está ausente, uma coisa diferente acontece.

Mundo analógico

Mas Rahul Sarpeshkar, professor de engenharia elétrica no MIT, acha que esta é a abordagem errada.

"Os sinais nas células não são uns ou zeros," diz Sarpeshkar. "Isso é uma abstração largamente simplificada, uma espécie de primeira aproximação, útil, mas grosseira, do que as células fazem. Mas todo o mundo sabe que isto está realmente errado."

Para demonstrar isto, ele e sua equipe agora estão usando circuitos eletrônicos analógicos para modelar dois tipos diferentes de interações entre proteínas e DNA nas células.

Os circuitos analógicos imitam os comportamentos da célula com uma precisão notável, mas, e talvez mais importante, eles fazem isso com muito menos transistores do que um circuito digital exigiria.

O trabalho pode apontar o caminho rumo a simulações eletrônicas de sistemas biológicos que não apenas são mais simples de construir e mais precisas, mas que também rodam de forma muito mais eficiente.

Os resultados também sugerem uma nova forma de analisar e projetar os processos bioquímicos que governam o comportamento das células.

Estados de transição

Um transistor é basicamente um interruptor: quando está ligado, ele conduz eletricidade, quando está desligado, não. Em um chip de computador, esses dois estados representam os 0s e 1s.

Mas, na passagem entre seus estados condutor e não-condutor, um transistor passa por todos os estados nesse meio - ligeiramente condutor, moderadamente condutor, muito condutor - assim como um carro que acelera de zero a 100 passa por todas as velocidades nesse intervalo.

Como os transistores em um processador de computador destinam-se a realizar operações de lógica binária, eles são projetados para tornar imperceptíveis esses estados de transição.

Mas são os estados de transição que Sarpeshkar e seus colegas estão tentando explorar.

"Digamos que a célula seja uma célula pancreática produzindo insulina," exemplifica Sarpeshkar. "Bem, quando a glicose sobe, ela quer fabricar mais insulina. Mas não é ou isto ou aquilo. Se a glicose sobe mais, ela vai fazer mais insulina. Se a glicose baixa um pouco, ela vai fazer menos insulina. Ela é graduada. Não é uma porta lógica."

Circuitos analógicos

Tratado como um componente analógico, um único transistor tem uma gama infinita de condutividades possíveis. Assim, ele pode modelar uma gama infinita de concentrações químicas.

Mas tratado como uma chave binária, um transistor só tem dois estados possíveis, de modo que modelar um intervalo grande, mas finito, de concentrações exigiria um banco inteiro de transistores.

Para circuitos grandes, que modelam sequências de reações dentro da célula, a lógica binária torna-se rapidamente complexa demais para ser prática.

Mas os circuitos analógicos não.

Na verdade, circuitos analógicos exploram os mesmos tipos de fenômenos físicos que tornam a maquinaria celular tão eficiente.

"Se você pensar bem, o que é a eletrônica?" pergunta Sarpeshkar. "É o movimento dos elétrons. E o que é a química? A química diz respeito aos elétrons movendo-se de um átomo ou molécula para outro átomo ou molécula. Elas devem estar profundamente ligadas: as duas se fundamentam nos elétrons."

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