Computação baseada no código da vida: DNA
Do código binário ao código da vida
Derivado do computador tradicional, o computador de DNA tem como diferencial a sua estrutura baseada no DNA e na biologia molecular.
Esta estrutura é usada para substituir a tecnologia baseada em silício dos computadores tradicionais.
A molécula de DNA é considerada o código da vida, nela está registrado todas as características que formam o corpo humano.
Um esforço internacional foi realizado com intuito de mapear e identificar todos os nucleotídeos do DNA humano. Laboratórios do mundo todo se uniram em um único objetivo: realizar o sequenciamento de todos os genes, um a um e separar as sequências codificantes de proteína e as não codificantes.
Este projeto denominado de Genoma Humano teve o seu início em 1990 com previsão de duração estimada de 15 anos.
James D. Watson um dos ganhadores do prêmio Nobel de Medicina pela descoberta da estrutura do DNA em 1953 assumiu inicialmente a direção do projeto.
Nove anos após o seu início foi anunciado um rascunho do genoma humano, mas para garantir a precisão destes resultados os cientistas revisaram no mínimo 10 vezes cada base do genoma.
Em 2001 o projeto teve a sua primeira publicação na revista científica Nature, com a identificação de 90% do genoma humano e finalmente em 2003 foi anunciada a conclusão do projeto com o sequenciamento de 99% do genoma humano, tendo como garantia uma precisão de 99,99%.
Foram sequenciados em torno de 25.000 genes, mas devido a limitações tecnológicas 1% do genoma não pode ser sequenciado devido à grande quantidade de repetições de bases nitrogenadas.
A importância deste projeto teve uma proporção similar ao projeto Apolo, projeto a qual levou o homem à Lua.
O Projeto Genoma Humano não foi visto somente como uma grande descoberta para a humanidade, mas também teve alguns conflitos éticos de críticos que temiam que estas informações genéticas pudessem ser usadas indevidamente; além disso, algumas empresas que participaram do sequenciamento de alguns genes pediram a patente deste conhecimento. A aprovação da patente inviabilizaria estudos baseados nestes genes. Este problema foi reportado ao Bill Clinton, presidente na época dos Estados Unidos que decretou que o genoma humano não poderia ser patenteado.
O projeto gerou uma grande quantidade de informações desencadeando um novo desafio para a área científica: a interpretação destes genes.
O genoma humano tem 3.2 bilhões de nucleotídeos com genes variando em média de 3.000 bases, mas podendo variar até 2.4 milhões de pares de bases, este número foi encontrado no maior gene: o Distrofina.
O genoma tem a mesma sequência em 99% de todos os indivíduos onde a função destes genes é desconhecida em cerca de 50%, onde apenas 2% de todo genoma é codificante de proteínas.
Com a conclusão do projeto 2 anos antes do prazo em 2003 coincidiu com a comemoração dos 50 anos da descoberta da estrutura do DNA por James Watson e Francis Crick, esta antecipação foi possível devido ao avanço tecnológico que pode auxiliar bastante no projeto.
Com intuito de estimular os estudos destas informações, o sequenciamento completo está disponível para cientistas do mundo todo, que podem usar estas informações como fontes e bases para futuras pesquisas. O objetivo é descobrir a aplicação prática destes dados.
O grande progresso da genômica e o grande potencial das suas aplicações permitirão que a biologia seja uma das ciências mais importantes do século 21.
A área da biotecnologia empregou em 2006, cerca de 250.000 pessoas com rendimentos de 51 bilhões de dólares e futuramente estimam atingir em média 1 trilhão de dólares.
A genômica tem um grande potencial para ser aplicada na área da Medicina Molecular, Genômica Microbiana, Avaliação de Risco, Bio Arqueologia, Antropologia, Evolução e Migração Humana, Identificação por meio do DNA, Agricultura, Criação do Gado e Bio processamento.
Com uma grande quantidade de dados representados através das moléculas de proteínas Adenina, Tinina, Citosina e Guanina resultaram uma grande dificuldade de interpretação de forma eficaz destes dados. Em novembro de 1994, o cientista da computação Leonard Adleman da Universidade de Southern California, inspirado através do livro de Biologia Molecular de Genes, escrito por James Watson, sugeriu a criação de um computador baseado no DNA.
Enxergando uma similaridade entre o funcionamento da molécula de DNA com a de um processador, ele associou a possibilidade de carregar e gerar informações usando como base o processamento das moléculas, iniciando uma nova direção do desenvolvimento dos computadores baseados em DNA.
Adleman implementou um sistema capaz de resolver problemas combinatórios mais eficientes, baseados na resolução do problema do caminho de hamiltoniano, sendo possível através da computação por DNA.
O problema do caminho hamiltoniano refere-se a um diagrama de pontos que tem como objetivo encontrar o caminho inicial 'A' até o final 'G', passando em todos os pontos de uma única vez. Um problema que pode parecer visualmente simples, mas é muito difícil para um computador tradicional efetuar estes processos com um aumento significativo das possibilidades combinatórias. O computador tem que analisar as opções checando todas as possibilidades uma a uma.
Adleman executou um experimento usando um computador desktop que foi capaz de executar 10 elevado a 6 operações por segundo, somente a nível comparativo da eficiência deste experimento o computador mais rápido da época executava aproximadamente 10 elevado a 12 operações por segundo.
As moléculas de DNA estão presentes no núcleo de cada uma das nossas células, formando quatro nucleotídeos que são representados pelas letras Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) e Tinina (T), que se unindo em pares formam a sequência do DNA. Através de apenas uma molécula de DNA extraída de uma única célula é possível obter todas as informações que formam o corpo humano.
A Computação do DNA usa a estrutura do DNA como estrutura de dados, formando um quarteto dos códigos (A,C,T e G) ao invés da estrutura padrão dos computadores tradicionais que são os códigos binários (0 e 1).
Estes computadores operam de uma forma massivamente paralela como o nível molecular com limites que talvez nunca sejam atingíveis pela indústria de semicondutores; mostrando-se muito eficiente na resolução de problemas NP completos. O computador de DNA tem a capacidade de analisar todos os caminhos ao mesmo tempo, economizando uma enorme quantidade de sequências, a nível comparativo com os computadores tradicionais mostram vantagem e desvantagem.
O processamento molecular ocorre independentemente um do outro em um espaço como uma gota de água pode ocorre vários processamentos simultâneos podendo chegar a milhões ou até trilhões. Foram realizados vários testes utilizando estes processadores químicos e em todos os testes eles foram capazes de fazer análises lógicas aonde chegaram a resultados corretos em todos os casos.
Para exemplificar uma aplicação simples destes testes foi feita a inclusão das seguintes regras: Todo homem é mortal; Sócrates é homem.
O computador chegou ao resultado lógico que "Sócrates é mortal". Ele também conseguiu responder corretamente em testes com maior complexidade que exigiram maior processamento.
Um passo muito importante na direção dos processadores de DNA foi a projeção das portas lógicas de DNA. Estas portas uniram cadeias simples de DNA devolvendo um resultado lógico, este processamento seria analisado pelo resultado do tamanho da cadeia molecular resultante.
Com a capacidade de atingir a capacidade de processamento e armazenamento molecular os processadores de DNA seriam bem menores e mais rápidos abrindo assim o futuro dos processadores.
Apesar dos avanços das pesquisas relacionadas à ciência da computação por DNA, ainda não temos previsões do lançamento destes computadores comercialmente . Para que esta nova ciência se desenvolva e mostre o seu potencial, algoritmos precisam ser criados à partir desta nova forma da computação, isso pode garantir que esta nova ciência mostre o seu potencial e continue crescendo, porém é essencial que a forma de pensar mude para a construção destes algoritmos sendo eles baseados nesta nova forma da computação.
O Projeto Genoma Humano,
Computação de DNA,
IA013 – Introdução à Computação Natural – Profs. Fernando J. Von Zuben & Romis R. F. Attux DCA/FEEC/Unicamp.