Processador de DNA finalmente em um chip programável

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/09/2021

A computação de DNA pode ser finalmente realizada sem a necessidade de pipetas, tubos de ensaio e trabalho manual.
[Imagem: Wonjin Lee et al. - 10.1021/acsnano.1c02153]

Processador de DNA

Os computadores de DNA - que usam moléculas de DNA sintético em lugar dos transistores - estão por aí há alguns anos, mas só agora eles começam a se parecer mais com os computadores eletrônicos tradicionais.

Wonjin Lee, da Universidade Nacional da Coreia, conseguiu criar um autêntico processador de DNA em um chip, modularizando experimentos que até agora eram feitos em tubos de ensaio - os cálculos eram feitos, mas de forma artesanal, demorada e exigindo essencialmente construir um computador de DNA inteiro para cada tarefa.

Lee construiu o chip usando a tecnologia microfluídica, hoje aplicada sobretudo nas pesquisas biomédicas, onde líquidos são dirigidos de forma controlada no interior de microcanais escavados em pastilhas de silício ou plástico, os chamados biochips. Conforme os líquidos se encontram, eles reagem uns com os outros, permitindo realizar reações químicas em pequena escala e com muita precisão.

A grande inovação deste processador de DNA é que os canais do chip microfluídico, que acomodam e conduzem as moléculas de DNA, podem ser programados por meio de um sistema de válvulas motorizado. E este sistema é operado usando um programa instalado em um PC ou celular.

O bioprocessador e o software formam o que os pesquisadores chamam uma MPU, uma unidade de processamento microfluídico (Microfluidic Processing Unit), em referência às tradicionais CPUs dos computadores eletrônicos. Graças ao sistema de válvulas, a MPU pode realizar uma série de reações para executar uma combinação de operações lógicas de maneira rápida, prática e, sobretudo, que pode ser facilmente replicada.

Detalhe da MPU e do conjunto de servomotores que a controla, bombeando os reagentes em seus microcanais.
[Imagem: Wonjin Lee et al. - 10.1021/acsnano.1c02153]

Unidade de Processamento Microfluídico

Como o DNA tem apenas duas fitas, a realização de cada cálculo requer múltiplas reações químicas, usando diferentes conjuntos de DNA. Na maioria das demonstrações anteriores, o DNA de cada reação era adicionado manualmente, um por um, em um único tubo de reação.

No novo chip, basta programar os canais para que eles conduzam cada conjunto de molécula para o local correto e no momento adequado, realizando sequencialmente as operações booleanas, a lógica verdadeiro-ou-falso (ou 0 e 1) típica dos processadores.

Cada porta lógica do processador consiste em um molde de DNA de fita simples, enquanto diferentes DNAs de fita simples são usados como entradas. Se parte de um DNA de entrada tiver uma sequência complementar ao DNA-molde, ele se emparelha para formar o DNA de fita dupla. A saída é considerada verdadeira ou falsa com base no tamanho do DNA resultante.

"As pesquisas futuras se concentrarão em uma solução total de computação de DNA, com algoritmos de DNA e sistemas de armazenamento de DNA", disse o professor Youngjun Song, coordenador da equipe. "Nossa esperança é que as CPUs baseadas em DNA substituam as CPUs eletrônicas no futuro porque consomem menos energia, o que ajudará a lidar com o aquecimento global. CPUs baseadas em DNA também fornecem uma plataforma para cálculos complexos, como soluções de aprendizagem profunda e modelagem matemática."

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