p De muitas maneiras, a vida é como um computador. O genoma de um organismo é o software que diz à maquinaria celular e molecular - o hardware - o que fazer. Mas em vez de circuitos eletrônicos, a vida depende de circuitos bioquímicos - redes complexas de reações e vias que permitem que os organismos funcionem. Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) construíram o circuito bioquímico mais complexo já criado do zero, feito com dispositivos baseados em DNA em um tubo de ensaio que são análogos aos transistores eletrônicos em um chip de computador. p A engenharia desses circuitos permite que os pesquisadores explorem os princípios do processamento da informação em sistemas biológicos, e para projetar vias bioquímicas com capacidade de tomada de decisão. Esses circuitos dariam aos bioquímicos um controle sem precedentes no projeto de reações químicas para aplicações em engenharia biológica e química e nas indústrias. Por exemplo, no futuro, um circuito bioquímico sintético poderia ser introduzido em uma amostra de sangue clínica, detectar os níveis de uma variedade de moléculas na amostra, e integrar essas informações em um diagnóstico da patologia.

p "Estamos tentando pegar emprestadas as ideias que tiveram grande sucesso no mundo eletrônico, como representações abstratas de operações de computação, linguagens de programação, e compiladores, e aplicá-los ao mundo biomolecular, "diz Lulu Qian, um bolsista sênior de pós-doutorado em bioengenharia na Caltech e autor principal de um artigo publicado na edição de 3 de junho da revista Ciência .

p Junto com Erik Winfree, Professor de ciência da computação da Caltech, computação e sistemas neurais, e bioengenharia, Qian usou um novo tipo de componente baseado em DNA para construir o maior circuito bioquímico artificial já feito. Os circuitos bioquímicos anteriores feitos em laboratório eram limitados porque funcionavam de forma menos confiável e previsível quando dimensionados para tamanhos maiores, Qian explica. A razão provável por trás dessa limitação é que tais circuitos precisam de várias estruturas moleculares para implementar funções diferentes, tornando grandes sistemas mais complicados e difíceis de depurar. A nova abordagem dos pesquisadores, Contudo, envolve componentes que são simples, padronizado, de confiança, e escalável, o que significa que circuitos ainda maiores e mais complexos podem ser feitos e ainda funcionam de forma confiável.

p "Você pode imaginar que, na indústria de computadores, você quer fazer computadores cada vez melhores, "Qian diz." Este é o nosso esforço para fazer o mesmo. Queremos fazer circuitos bioquímicos cada vez melhores que possam realizar tarefas mais sofisticadas, conduzindo dispositivos moleculares para agir em seu ambiente. "

p Para construir seus circuitos, os pesquisadores usaram pedaços de DNA para fazer as chamadas portas lógicas - dispositivos que produzem sinais de saída liga-desliga em resposta a sinais de entrada liga-desliga. As portas lógicas são os blocos de construção dos circuitos lógicos digitais que permitem que um computador execute as ações certas no momento certo. Em um computador convencional, portas lógicas são feitas com transistores eletrônicos, que são ligados entre si para formar circuitos em um chip de silício. Circuitos bioquímicos, Contudo, consistem em moléculas flutuando em um tubo de ensaio de água salgada. Em vez de depender dos elétrons fluindo para dentro e para fora dos transistores, Portas lógicas baseadas em DNA recebem e produzem moléculas como sinais. Os sinais moleculares viajam de um portão específico para outro, conectando o circuito como se fossem fios.

p Winfree e seus colegas construíram esse circuito bioquímico pela primeira vez em 2006. Neste trabalho, As moléculas de sinal de DNA conectaram várias portas lógicas de DNA umas às outras, formando o que é chamado de circuito de múltiplas camadas. Mas este circuito anterior consistia em apenas 12 moléculas de DNA diferentes, e o circuito desacelerou em algumas ordens de magnitude quando expandido de uma única porta lógica para um circuito de cinco camadas. Em seu novo design, Qian e Winfree desenvolveram portas lógicas que são mais simples e confiáveis, permitindo-lhes fazer circuitos pelo menos cinco vezes maiores.

p Suas novas portas lógicas são feitas de peças curtas, DNA de fita simples ou DNA parcialmente de fita dupla, em que fitas simples se projetam como caudas da dupla hélice do DNA. As moléculas de DNA de fita simples atuam como sinais de entrada e saída que interagem com as moléculas parcialmente de fita dupla.

p "As moléculas estão apenas flutuando em solução, esbarrando um no outro de vez em quando, "Winfree explica." Ocasionalmente, uma fita de entrada com a sequência correta de DNA se fecha em uma fita enquanto descompacta outra, liberando-o na solução e permitindo que reaja com outra fita. "Como os pesquisadores podem codificar qualquer sequência de DNA que desejarem, eles têm controle total sobre esse processo. "Você tem essa interação programável, " ele diz.

p Qian e Winfree fizeram vários circuitos com sua abordagem, mas o maior - contendo 74 moléculas de DNA diferentes - pode calcular a raiz quadrada de qualquer número até 15 (tecnicamente falando, qualquer número binário de quatro bits) e arredonde a resposta para o número inteiro mais próximo. Os pesquisadores então monitoram as concentrações de moléculas de saída durante os cálculos para determinar a resposta. O cálculo leva cerca de 10 horas, portanto, ele não substituirá seu laptop tão cedo. Mas o propósito desses circuitos não é competir com a eletrônica; é dar aos cientistas controle lógico sobre os processos bioquímicos.

p Seus circuitos têm vários recursos novos, Qian diz. Porque as reações nunca são perfeitas - as moléculas nem sempre se ligam corretamente, por exemplo - há ruído inerente ao sistema. Isso significa que os sinais moleculares nunca estão totalmente ligados ou desligados, como seria o caso da lógica binária ideal. Mas as novas portas lógicas são capazes de lidar com esse ruído suprimindo e amplificando sinais, por exemplo, aumentando um sinal que está em 80 por cento, ou inibindo um que está em 10 por cento, resultando em sinais que estão perto de 100 por cento presentes ou inexistentes.

p Todas as portas lógicas têm estruturas idênticas com sequências diferentes. Como resultado, eles podem ser padronizados, para que os mesmos tipos de componentes possam ser ligados entre si para formar qualquer circuito que você desejar. O que mais, Qian diz, você não precisa saber nada sobre a maquinaria molecular por trás do circuito para fazer um. Se você quer um circuito que, dizer, diagnostica automaticamente uma doença, você acabou de enviar uma representação abstrata das funções lógicas em seu projeto para um compilador que os pesquisadores fornecem online, que então traduzirá o projeto nos componentes de DNA necessários para construir o circuito. No futuro, um fabricante externo pode então fazer essas peças e fornecer o circuito, pronto para ir.

p Os componentes do circuito também são ajustáveis. Ao ajustar as concentrações dos tipos de DNA, os pesquisadores podem alterar as funções das portas lógicas. Os circuitos são versáteis, apresentando componentes plug-and-play que podem ser facilmente reconfigurados para religar o circuito. A simplicidade das portas lógicas também permite técnicas mais eficientes que as sintetizam em paralelo.

p "Como a Lei de Moore para eletrônicos de silício, que diz que os computadores estão ficando exponencialmente menores e mais poderosos a cada ano, sistemas moleculares desenvolvidos com nanotecnologia de DNA têm dobrado de tamanho aproximadamente a cada três anos, "Winfree diz. Qian acrescenta, "O sonho é que os circuitos bioquímicos sintéticos um dia alcancem complexidades comparáveis ​​à própria vida."