Computação completa com DNA: Nova tecnologia armazena e processa dados
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]
Computação molecular
Pesquisadores das universidades da Carolina do Norte e Johns Hopkins, nos EUA, demonstraram a primeira tecnologia capaz de usar moléculas de DNA, em vez dos componentes eletrônicos convencionais, para fazer tanto o armazenamento de dados quanto a computação.
A plataforma consegue armazenar, recuperar, calcular, apagar e reescrever os dados repetidamente. As tecnologias anteriores de armazenamento e computação de dados com DNA conseguiram fazer algumas, mas não todas, essas tarefas.
“Nas tecnologias de computação convencionais, tomamos como certo que as formas como os dados são armazenados e a forma como os dados são processados são compatíveis entre si,” explicou o professor Albert Keung. “Mas, na realidade, o armazenamento e o processamento de dados são feitos em partes separadas do computador, e os computadores modernos são uma rede de tecnologias complexas.”
Armazenamento e computação em pontos diferentes traz problemas, o que está levando ao nascimento de uma nova tecnologia, ainda em escala experimental, chamada computação na memória, que evita que os dados fiquem trafegando entre diferentes chips (processador e pentes de memória).
Isto é muito mais complicado quando os dados estão codificados em ácidos nucleicos. Embora o armazenamento de dados em moléculas de DNA venha se aprimorando ao longo do tempo, ninguém havia conseguido usar as mesmas moléculas para fazer todo o trabalho de um computador.
“Nós demonstramos que essas tecnologias baseadas em DNA são viáveis porque nós criamos uma,” disse Keung.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]
Computador de DNA
A nova tecnologia se tornou possível graças a desenvolvimentos recentes de técnicas que permitiram a criação de materiais poliméricos macios com morfologias únicas.
“Especificamente, nós criamos estruturas poliméricas que chamamos de dendricoloides – elas começam na microescala, mas se ramificam umas das outras de forma hierárquica para criar uma rede de fibras em nanoescala,” explicou o professor Orlin Velev. “Essa morfologia cria uma estrutura com uma grande área de superfície, o que nos permite depositar DNA entre as nanofibrilas sem sacrificar a densidade de dados, que é o que torna o DNA atraente para armazenamento de dados.”
De fato, a densidade do armazenamento de dados em DNA supera a densidade dos discos rígidos e os chips SSD em várias ordens de magnitude.
Mas o mais interessante é que essas estruturas poliméricas acondicionam as moléculas individuais de DNA de tal modo que é possível copiá-las sem lhes causar danos. A matriz de dendricoloides funciona essencialmente como uma placa de circuito impresso para o DNA.
“Também podemos apagar pedaços de DNA alvo e então reescrever na mesma superfície, como deletar e reescrever informações armazenadas no disco rígido. Isso essencialmente nos permite conduzir toda a gama de funções de armazenamento e computação de dados com DNA. Além disso, descobrimos que, quando depositamos DNA no material dendricoloide, o material ajuda a preservar o DNA,” disse o pesquisador Kevin Lin.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]
Primórdios da computação de DNA
Para construir a prova de conceito da computação de DNA, a equipe incorporou as moléculas em canais microfluídicos, que direcionam o fluxo de ácidos nucleicos e de reagentes, permitindo mover os dados e aplicar comandos de computação nas moléculas.
A “cabeça de leitura” dos dados consiste em um sistema de sequenciamento genético baseado em nanoporos. Finalmente, a equipe desenvolveu algoritmos que permitem converter os dados de entrada – informações e comandos – em sequências de ácidos nucleicos e vice-versa, gerando as saídas.
A equipe demonstrou que a nova tecnologia de armazenamento de dados e computação – que eles chamam de “mecanismo primordial de armazenamento e computação em DNA” – é capaz de resolver problemas simples de sudoku e xadrez. É “primordial”, mas os computadores eletrônicos também não nasceram prontos, como os conhecemos hoje.
“Nós olhamos para a história da computação e como a criação do ENIAC inspirou o campo. Queríamos desenvolver algo que inspirasse o campo da computação molecular. E esperamos que o que fizemos aqui seja um passo nessa direção,” disse Keung.