DNA é suposto resgatar-nos de uma rotina informática. Com avanços usando silicon petering out, os computadores baseados em ADN têm a promessa de arquiteturas maciças de computação paralela que são impossíveis hoje.

Mas há um problema: os circuitos moleculares construídos até agora não têm nenhuma flexibilidade. Hoje, usar o DNA para computar é “como ter que construir um novo computador a partir de novo hardware apenas para executar um novo software”, diz o cientista da computação David Doty. Então Doty, uma professora da UC Davis, e seus colegas se propuseram a ver o que seria necessário para implementar um computador de DNA que de fato fosse reprogramável.

Como detalhado em um artigo publicado esta semana na Nature, Doty e seus colegas da Caltech e da Maynooth University demonstraram exatamente isso. Eles mostraram que é possível usar um simples gatilho para coaxar o mesmo conjunto básico de moléculas de DNA na implementação de inúmeros algoritmos diferentes. Embora esta pesquisa ainda seja exploratória, algoritmos moleculares reprogramáveis poderiam ser usados no futuro para programar robôs de DNA, que já entregaram com sucesso drogas a células cancerosas.

“Este é um dos trabalhos de referência no campo”, diz Thorsten-Lars Schmidt, professor assistente de biofísica experimental na Universidade Estadual de Kent, que não estava envolvido na pesquisa. “Antes havia auto-montagem algorítmica, mas não a este grau de complexidade”

Em computadores eletrônicos como aquele que você está usando para ler este artigo, bits são as unidades binárias de informação que dizem a um computador o que fazer. Eles representam o estado físico discreto do hardware subjacente, geralmente a presença ou ausência de uma corrente elétrica. Estes bits, ou melhor, os sinais elétricos que os implementam, são passados através de circuitos compostos por portas lógicas, que realizam uma operação em um ou mais bits de entrada e produzem um bit como saída.

Ao combinar estes simples blocos de construção repetidamente, os computadores são capazes de executar programas notavelmente sofisticados. A idéia por trás da computação de DNA é substituir ligações químicas por sinais elétricos e ácidos nucléicos por silício para criar software biomolecular. De acordo com Erik Winfree, um cientista da Caltech e co-autor do artigo, algoritmos moleculares alavancam a capacidade natural de processamento de informação cozida no DNA, mas em vez de deixar a natureza tomar as rédeas, ele diz, “a computação controla o processo de crescimento”

Nos últimos 20 anos, vários experimentos têm usado algoritmos moleculares para fazer coisas como jogar tic-tac-toe ou montar várias formas. Em cada um destes casos, as sequências de ADN tiveram de ser cuidadosamente concebidas para produzir um algoritmo específico que gerasse a estrutura do ADN. O que é diferente neste caso é que os pesquisadores desenharam um sistema onde as mesmas peças básicas de DNA podem ser ordenadas para se organizar para produzir algoritmos totalmente diferentes – e portanto, produtos finais totalmente diferentes.

O processo começa com origami de DNA, uma técnica para dobrar um pedaço longo de DNA em uma forma desejada. Este pedaço de DNA dobrado serve como a “semente” que inicia a linha de montagem algorítmica, semelhante à forma como uma corda mergulhada em água com açúcar age como uma semente quando se cultiva um doce de rocha. A semente permanece praticamente a mesma, independentemente do algoritmo, com alterações feitas em apenas algumas pequenas sequências dentro dela para cada nova experiência.

Após os pesquisadores terem criado a semente, ela é adicionada a uma solução de cerca de 100 outras cordas de DNA, conhecidas como placas de DNA. Estas placas, cada uma das quais composta por um arranjo único de 42 nucleobases (os quatro compostos biológicos básicos que compõem o DNA), são retiradas de uma coleção maior de 355 placas de DNA criadas pelos pesquisadores. Para criar um algoritmo diferente, os pesquisadores escolheriam um conjunto diferente de tijolos de partida. Assim, um algoritmo molecular que implementa uma caminhada aleatória requer um grupo diferente de tijolos de DNA do que um algoritmo usado para a contagem. Como estes tiles de DNA se ligam durante o processo de montagem, eles formam um circuito que implementa o algoritmo molecular escolhido nos bits de entrada fornecidos pela semente.

Usando este sistema, os pesquisadores criaram 21 algoritmos diferentes que poderiam realizar tarefas como reconhecer múltiplos de três, eleger um líder, gerar padrões, e contar até 63. Todos estes algoritmos foram implementados usando diferentes combinações dos mesmos 355 tiles de DNA.

Código de escrita despejando tiles de DNA em um tubo de ensaio está a mundos da facilidade de digitação em um teclado, claro, mas representa um modelo para futuras iterações de computadores de DNA flexíveis. Na verdade, se Doty, Winfree e Woods tiverem o seu caminho, os programadores moleculares de amanhã nem terão que pensar na biomecânica subjacente dos seus programas, tal como os programadores de computadores de hoje não precisam de compreender a física dos transístores para escrever um bom software.

Este experimento foi a ciência básica no seu mais puro, uma prova de conceito que gerou belos, embora inúteis, resultados. Mas segundo Petr Sulc, professor assistente do Instituto de Biodesign da Universidade Estadual do Arizona, que não estava envolvido na pesquisa, o desenvolvimento de algoritmos moleculares reprogramáveis para montagem em nanoescala abre as portas para uma ampla gama de aplicações potenciais. Sulc sugeriu que essa técnica pode um dia ser útil para a criação de fábricas de nanoescala que montam moléculas ou robôs moleculares para o fornecimento de medicamentos. Ele disse que ela também pode contribuir para o desenvolvimento de materiais nanofotônicos que poderiam abrir caminho para computadores baseados na luz, em vez de elétrons.

“Com esses tipos de algoritmos moleculares, um dia poderemos ser capazes de montar qualquer objeto complexo em um nível de nanoescala usando um conjunto geral de azulejos programáveis, assim como as células vivas podem se reunir em uma célula óssea ou célula de neurônio apenas selecionando quais proteínas são expressas”, diz Sulc.

Os casos de uso potencial dessa técnica de montagem em nanoescala confundem a mente, mas essas previsões também são baseadas em nossa compreensão relativamente limitada do potencial latente no mundo em nanoescala. Afinal, Alan Turing e os outros progenitores da ciência da computação dificilmente poderiam ter previsto a Internet, então talvez algumas aplicações igualmente insondáveis para a ciência da computação molecular nos aguardem também.

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