Computadores moleculares ganham compilador e ficam mais amigáveis

Biocomputador amigável

Computadores biomoleculares, feitos de DNA ou de outras moléculas biológicas, hoje existem somente em alguns poucos laboratórios especializados, muito distantes do usuário comum de computador.

No entanto, Tom Ran e Shai Kaplan, pesquisadores do Instituto de Bioquímica Weizmann, descobriram uma maneira de tornar esses dispositivos de computação microscópicos mais amigáveis ao usuário, mesmo quando ele estão executando cálculos complexos e respondendo questões complicadas.

Os pesquisadores criaram um programa avançado para computadores biomoleculares que permite que essas máquinas "pensem" logicamente e respondam a questões passadas em linguagem quase natural.

Ensinando lógica ao computador

A técnica para ensinar dedução lógica para esses dispositivos futurísticos é notavelmente familiar. A técnica foi proposta por Aristóteles há mais de 2000 anos na forma de uma simples proposição do tipo se-então: "Todos os homens são mortais. Sócrates é um homem. Portanto, Sócrates é mortal".

Quando alimentado com uma regra (Todos os homens são mortais) e um fato (Sócrates é um homem), o computador biomolecular é capaz de responder corretamente à pergunta "Sócrates é mortal?".

A equipe começou então a criar questões mais complicadas, envolvendo múltiplas regras e fatos - o dispositivo de computação à base de DNA foi capaz de deduzir as respostas corretas todas as vezes.

Compilador para computador molecular

Para facilitar o trabalho, os dois pesquisadores criaram um compilador - um programa capaz de fazer uma ponte entre a linguagem de programação de computador de alto nível e o código de computação em DNA.

Com o compilador, a consulta pode ser digitada de forma tão simples quanto: Mortal (Sócrates)?. O compilador traduz esse código em linguagem de biocomputação e o computador de DNA responde, sempre corretamente.

Funcionamento do computador de DNA

Para chegar à resposta correta, várias fitas de DNA, representando as regras, os fatos e as consultas, foram montadas por um sistema robótico para se encaixar em um processo hierárquico.

A resposta foi codificada em um flash de luz verde: algumas das fitas de DNA tinham uma versão biológica de uma lanterna de sinalização - elas foram equipadas com uma molécula naturalmente fluorescente, ligada a uma segunda proteína que mantém a luz coberta.

Uma enzima especializada, atraída para o local correspondente à resposta correta, remove a "capa" da lanterna sinalizadora e deixa a luz brilhar.

As minúsculas gotas de água contendo as bases de dados biomoleculares foram capazes de responder a perguntas muito complicadas, brilhando em uma combinação de cores que representavam as respostas mais complexas.

Futuro

Além de serem capazes de efetuar múltiplos cálculos simultaneamente, os computadores moleculares têm sido estudados para atuar diretamente no organismo, onde poderão executar operações dependendo da situação encontrada, como liberar moléculas específicas quando localizarem uma célula tumoral.

Bibliografia:

Molecular implementation of simple logic programs
Tom Ran, Shai Kaplan, Ehud Shapiro
Nature Nanotechnology
2 August 2009
Vol.: Published Online before print
DOI: 10.1038/NNANO.2009.203

Biochip faz mais de mil reações químicas simultâneas

Frascos, béqueres e pipetas poderão brevemente tornar-se coisas do passado nos laboratórios de química. Em vez de manusear alguns poucos experimentos sobre a bancada, os cientistas poderão simplesmente conectar um biochip em um computador e rodar instantaneamente milhares de reações químicas.

O resultado será literalmente encolher o laboratório para as dimensões de uma moeda.

Biochip controlado por um PC

Caminhando nessa direção, pesquisadores da Universidade da Califórnia, nos Estados unidos, desenvolveram uma tecnologia capaz de executar mais de 1.000 reações químicas de uma só vez, no interior de um biochip do tamanho de um selo.

O biochip, que é controlado por meio de um PC, poderá acelerar a identificação de compostos químicos candidatos à formulação de novos medicamentos para um sem-número de doenças, como o câncer, por exemplo.

O biochip é resultado de uma colaboração entre químicos, biólogos e engenheiros. Ele foi construído com base na chamada microfluídica - a utilização de dispositivos miniaturizados para manusear automaticamente minúsculas quantidades de líquidos.

Química click

As reações químicas no interior do biochip são feitas por meio de um processo conhecido comoquímica click, onde as moléculas juntam-se de forma rápida e imitando os processos naturais.

Essa técnica, criada pelo Nobel de Química Barry Sharplless, tem sido usada frequentemente para identificar moléculas potenciais para medicamentos, as quais ligam-se a enzimas seja para ativar ou inibir um efeito em uma célula.

Tradicionalmente os biochips têm sido utilizados para realizar algumas poucas dessas reações químicas de cada vez. Agora os pesquisadores desenvolveram a tecnologia necessária para induzir múltiplas reações, criando um novo método mais rápido para analisar quais moléculas funcionam melhor com cada enzima estudada.

Análise off-line

O protótipo é um chip capaz de executar 1.024 reações simultaneamente. No teste de funcionamento, ele foi capaz de identificar potentes inibidores para a enzima bovina anidrase carbônica.

O teste, feito em poucas horas, compreendeu mais de mil ciclos de processos complexos, incluindo a amostragem controlada e a mistura de uma biblioteca de reagentes. No momento, o protótipo permite a análise das reações apenas de modo off-line, mas, no futuro, os pesquisadores planejam automatizar essa tarefa.

Economia de reagentes

"As preciosas enzimas necessárias para uma única reação local de química click em um laboratório tradicional agora podem ser divididas em centenas de duplicatas para executar centenas de reações em paralelo," diz o professor Hsian-Rong Tseng, coordenador do grupo que criou o biochip.

"Isso vai revolucionar o trabalho nos laboratórios, reduzindo o consumo de reagentes e acelerando o processo de identificação de candidatos a novos medicamentos," afirmou o cientista.

Os próximos passos da pesquisa incluem testes para o uso do novo biochip para outras reações químicas de classificação de compostos nos quais os compostos e as amostras estejam disponíveis apenas em quantidades muito limitadas - por exemplo, com uma classe de proteínas chamadas quinases, que desempenham um papel crucial nas transformações malignas do câncer.

Bibliografia:

An integrated microfluidic device for large-scale in situ click chemistry screening
Yanju Wang, Wei-Yu Lin, Kan Liu, Rachel J. Lin, Matthias Selke, Hartmuth C. Kolb, Nangang Zhang, Xing-Zhong Zhao, Michael E. Phelps, Clifton K. F. Shen, Kym F. Faull, Hsian-Rong Tseng
http://www.rsc.org/Publishing/Journals/lc/
Published online before print
Vol.: 16, 9, 2281
DOI: 10.1039/b907430a