Nanotecnologia

Processador químico mostra capacidade de controlar máquinas moleculares

Processador químico mostra capacidade de controlar máquinas moleculares
Ilustração do oscilador químico feito com moléculas de DNA.[Imagem: Ella Maru Studio/Cody Geary]

Computação química

O sonho de construir processadores e computadores químicos está mais próximo da realidade.

Niranjan Srinivas, da Universidade do Texas, nos EUA, construiu circuitos eletrônicos de nível avançado - incluindo osciladores e amplificadores - usando uma técnica com o potencial para incorporar capacidade computacional em sistemas moleculares.

Além de máquinas moleculares com comportamentos mais complexos, essa técnica promete encontrar aplicações em biomedicina, fabricação de materiais avançados e na nanotecnologia.

Para se ter uma ideia da importância desse avanço, ele toca em duas áreas premiadas com o Prêmio Nobel de 2017 : as máquinas moleculares e o relógio biológico humano - nosso relógio biológico é controlado por um oscilador químico, que é essencialmente uma máquina molecular.

O DNA é mais poderoso que pensamos?

Srinivas descobriu como programar osciladores sintéticos e outros circuitos fabricando moléculas sintéticas de DNA que seguem instruções específicas.

Um dos protótipos é o primeiro oscilador químico baseado unicamente em componentes de DNA - sem proteínas, enzimas ou outros componentes celulares -, demonstrando que o DNA por si só é capaz de desempenhar comportamentos complexos. Isso sugere que o DNA pode ser muito mais do que uma simples molécula passiva usada apenas para transportar informações genéticas.

"O DNA pode ser usado de maneira muito mais ativa. Nós realmente podemos fazê-lo dançar - e com um ritmo, se você quiser. Isso sugere que os ácidos nucleicos (DNA e RNA) podem estar fazendo mais do que pensamos, o que pode até mesmo mudar nossa compreensão da origem da vida, já que é comum se pensar que o início da vida se baseou inteiramente no RNA," disse o professor David Soloveichik.

Linguagem de programação química

A equipe desenvolveu o oscilador químico sintetizando moléculas de DNA dotadas de uma linguagem de programação específica, o que as faz produzir um fluxo de trabalho repetível que pode gerar outros padrões temporais complexos e responder a sinais químicos de entrada. Essa linguagem de programação química foi então compilada para interações precisas - a prática padrão no campo dos programas de computador, mas completamente nova em bioquímica.

Processador químico mostra capacidade de controlar máquinas moleculares
Existem vários esforços para criar uma linguagem de programação para automatizar a química. [Imagem: Daniel Grissom et al. - 10.1145/2567669]

Esse oscilador sintético poderá ser usado futuramente na biologia sintética ou em células completamente artificiais, garantindo que certos processos aconteçam em ordem.

Mas a oscilação é apenas um exemplo de comportamento molecular complexo - máquinas moleculares mais sofisticadas inteiramente feitas de DNA também se tornam possíveis. Dependendo de como essas máquinas moleculares são programadas, poderão realizar diferentes comportamentos, como comunicação e processamento de sinais, resolução de problemas, tomada de decisão, controle de movimento etc. - virtualmente todos os processos de computação feitos com circuitos eletrônicos.

"Eventualmente, nós queremos poder interagir com os circuitos químicos de uma célula, ou consertar circuitos defeituosos ou mesmo reprogramá-los para maior controle. Mas, no curto prazo, nossos circuitos de DNA podem ser usados para programar o comportamento de sistemas químicos sem células que sintetizam moléculas complexas, diagnosticam assinaturas químicas complexas e respondem aos seus ambientes," disse Soloveichik.

Bibliografia:

Enzyme-free nucleic acid dynamical systems
Niranjan Srinivas, James Parkin, Georg Seelig, Erik Winfree, David Soloveichik
Science
Vol.: 358, Issue 6369, eaal2052
DOI: 10.1126/science.aal2052




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