Computador fabrica DNA - Código Fluente
Programa de computador que traduz desenhos de formas arbitrárias em estruturas bidimensionais feitas de DNA.
Pesquisadores do MIT e da Arizona State University projetaram um programa de computador que permite aos usuários traduzir qualquer desenho de forma livre em uma estrutura em nanoescala bidimensional feita de DNA.
Até agora, projetar tais estruturas exigia conhecimentos técnicos que colocam o processo fora do alcance da maioria das pessoas.
Usando o novo programa, qualquer um pode criar uma nanoestrutura de DNA de qualquer formato, para aplicações em biologia celular, fotônica, sensoriamento quântico e computação, entre muitos outros.
O que este trabalho faz é permitir que qualquer pessoa desenhe literalmente qualquer forma 2D e a converta automaticamente em origami de DNA", diz Mark Bathe, professor associado de engenharia biológica do MIT e principal autor do estudo.
Os pesquisadores publicaram suas descobertas na edição de 4 de janeiro de 2019 da revista Science Advances, e o programa, chamado PERDIX, está disponível online nesse link: http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaav0655
Os autores principais do artigo são: Hyungmin Jun, um pós-doutorado do MIT, e Fei Zhang, professor assistente de pesquisa na Universidade Estadual do Arizona.
Outros autores são o pesquisador associado do MIT, Tyson Shepherd, o recém-doutorado do MIT, Sakul Ratanalert, o cientista assistente de pesquisa da ASU, Xiaodong Qi, e o professor da ASU, Hao Yan.
O origami de DNA, a ciência de dobrar o DNA em minúsculas estruturas, originou-se no início dos anos 80, quando Ned Seeman, da Universidade de Nova York, propôs aproveitar as habilidades de emparelhamento de bases do DNA para criar arranjos moleculares arbitrários.
Em 2006, Paul Rothemund, da Caltech, criou as primeiras estruturas de DNA bidimensionais e do esqueleto, tecendo uma longa fita única de DNA (o andaime, digamos assim) através da forma que os fios de DNA conhecidos como "grampos" se hibridizariam para ajudar a estrutura a manter sua forma.
Outros, mais tarde, usaram uma abordagem semelhante para criar estruturas de DNA tridimensionais complexas.
No entanto, todos estes esforços requeriam um desenho manual complicado para encaminhar a forma através de toda a estrutura e para gerar as sequências cabos de grampo.
Em 2016, Bathe e seus colegas desenvolveram uma maneira de automatizar o processo de geração de uma estrutura de DNA poliédrico 3-D, e neste novo estudo, eles se propuseram a automatizar o projeto de estruturas arbitrárias de DNA 2-D.
Para conseguir isso, eles desenvolveram uma nova abordagem matemática para o processo de roteamento do andaime de fita simples através de toda a estrutura para formar a estrutura correta.
O programa de computador resultante pode pegar qualquer desenho de forma livre e traduzi-lo na sequência de DNA para criar essa forma e as seqüências para os fios de grampos.
A forma pode ser esboçada em qualquer programa de desenho de computador e depois convertida em um arquivo CAD (computer-aided design), que é inserido no programa de design de DNA.
"Depois de ter esse arquivo, tudo é automático, muito parecido com a impressão, mas aqui a tinta é DNA", diz Bathe.
Depois que as seqüências são geradas, o usuário pode ordenar que elas facilmente façam a forma especificada.
Neste artigo, os pesquisadores criaram formas nas quais todas as bordas consistem em dois duplexes de DNA, mas também possuem um programa funcional que pode utilizar seis duplexes por borda, que são mais rígidos.
A ferramenta de software correspondente para poliedros 3-D, chamada TALOS, está disponível online e será publicada em breve na revista ACS Nano.
As formas, que variam de 10 a 100 nanômetros de tamanho, podem permanecer estáveis por semanas ou meses, suspensas em uma solução buffer.
O fato de podermos projetar e fabricar esses materiais de maneira muito simples ajuda a resolver um grande gargalo em nosso campo", diz Bathe.
"Agora o campo pode fazer a transição para grupos muito mais amplos de pessoas na indústria e na academia, capazes de funcionalizar estruturas de DNA e implementá-las para diversas aplicações."
Padrões em nanoescala
Como os pesquisadores têm um controle tão preciso sobre a estrutura das partículas de DNA sintético, eles podem anexar uma variedade de outras moléculas em locais específicos.
Isso poderia ser útil para modelar antígenos em padrões de nanoescala para esclarecer como as células imunes reconhecem e são ativadas por arranjos específicos de antígenos encontrados em vírus e bactérias.
Como os padrões de antígenos em nanoescala são reconhecidos pelas células do sistema imunológico é uma área de imunologia pouco compreendida", diz Bathe.
"Anexar antígenos a superfícies de DNA estruturadas para exibi-las em padrões organizados é uma maneira poderosa de investigar essa biologia."
Outra aplicação importante é projetar circuitos de coleta de luz que imitam os complexos fotossintéticos encontrados nas plantas.
Para conseguir isso, os pesquisadores estão anexando corantes sensíveis à luz, conhecidos como cromóforos, a esqueletos de DNA.
Além de coletar luz, esses circuitos também podem ser usados para realizar a detecção quântica e cálculos rudimentares.
Se bem-sucedidos, esses seriam os primeiros circuitos de computação quântica que podem operar à temperatura ambiente, diz Bathe.
Materiais fornecidos pelo Massachusetts Institute of Technology. Original escrito por Anne Trafton.
Jornal de eferência:
Massachusetts Institute of Technology. "DNA design that anyone can do: Computer program can translate a free-form 2-D drawing into a DNA structure." ScienceDaily. ScienceDaily, 3 January 2019. <www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190103142244.htm>.