Computação com DNA ganha novo avanço com dendricoloides

Há milhares de milhões de anos, a vida recorre a moléculas longas de ácido desoxirribonucleico, ou DNA, para guardar informação e resolver problemas.

Hoje, engenheiros estão a dar uma nova abordagem à computação com DNA, tanto para registar dados como para funcionar como computadores biológicos. Ainda assim, até agora tem sido difícil criar um sistema sintético que, ao mesmo tempo, consiga armazenar informação e executar tarefas.

Uma nova investigação mostrou agora que é possível organizar e apresentar o DNA de forma a gerir as duas coisas, oferecendo um conjunto completo de funções de computação a partir de cadeias de ácidos nucleicos. Em concreto, trata-se de armazenar, ler, apagar, mover e reescrever dados, além de executar essas operações de forma programável e repetível - de maneira semelhante ao funcionamento de um computador convencional.

Em experiências, investigadores da North Carolina State University (NC State) e da Johns Hopkins University demonstraram que o seu novo andaime de ácidos nucleicos serve como prova da versatilidade da computação com DNA e pode abrir caminho para máquinas biológicas extremamente compactas.

"It's been thought that while DNA data storage may be useful for long-term data storage, it would be difficult or impossible to develop a DNA technology that encompassed the full range of operations found in traditional electronic devices," diz o biólogo molecular da NC State, Albert Keung.

"We've demonstrated that these DNA-based technologies are viable, because we've made one."

DNA como base de código: de organismos vivos a dados digitais

Nos seres vivos, o DNA funciona como uma base de código, fornecendo moldes moleculares para estruturas e processos biológicos. No entanto, em teoria, essas cadeias químicas podem representar praticamente qualquer sequência de informação. Há anos que cientistas desenvolvem formas de compactar todo o tipo de dados em filamentos de DNA livres, dispersos no meio.

Dendricoloides: armazenamento em estruturas ramificadas

Nesta nova abordagem, em vez de manter as moléculas soltas, a equipa armazenou-as em estruturas minúsculas, semelhantes a árvores, chamadas dendricoloides. Com isso, conseguiram não apenas guardar a informação, mas também editar o código de forma contínua com muito mais facilidade.

O ponto central do sistema está em como a informação em DNA pode ser distinguida das nanofibras de dendricoloide onde está depositada. Essa separação permite copiar os dados para a forma de RNA (ácido ribonucleico) para processamento, ou reescrever regiões específicas do DNA, sem danificar os "ficheiros" originais de DNA nem o próprio meio de armazenamento.

Preservação e durabilidade: estabilidade a 4 °C

Além disso, o andaime ramificado de dendricoloide ajuda a preservar a informação contida no DNA quando comparado com polímeros em solução. Uma análise de envelhecimento acelerado indicou que filamentos armazenados em dendricoloides a uma temperatura em torno de 4 °C teriam uma meia-vida de milénios. Em temperaturas mais baixas, essa meia-vida poderia chegar a milhões de anos.

Segundo Keung, com um sistema deste tipo é possível guardar, de forma fiável, dados que preencheriam mil computadores portáteis num espaço do tamanho de uma borracha de lápis, viabilizando o armazenamento a longo prazo de bases de dados gigantes.

"It essentially allows us to conduct the full range of DNA data storage and computing functions," diz o engenheiro químico da NC State, Kevin Lin.

Embora ainda estejamos longe de ver estes computadores de DNA em uso generalizado, o estudo mostra que a ideia é exequível. Até agora, a máquina biológica já conseguiu resolver problemas simples de xadrez e sudoku - longe do patamar de supercomputadores, mas notável para moléculas microscópicas.

Neste momento, o sistema não é especialmente potente nem particularmente rápido. Mesmo assim, a promessa do armazenamento e da computação com DNA está em condensar volumes enormes de informação num espaço minúsculo, num suporte que, em teoria, poderia sobreviver a civilizações inteiras.

"We wanted to develop something that would inspire the field of molecular computing," diz Keung. "And we hope what we've done here is a step in that direction."

A investigação foi publicada na Nature Nanotechnology.