Computação completa com DNA: nova tecnologia armazena e processa dados

Já existem processadores de DNA, mas esta é a primeira demonstração de uma computação molecular na memória

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.

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.

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.

Bibliografia
Artigo: A primordial DNA store and compute engine
Autores: Kevin N. Lin, Kevin Volkel, Cyrus Cao, Paul W. Hook, Rachel E. Polak, Andrew S. Clark, Adriana San Miguel, Winston Timp, James M. Tuck, Orlin D. Velev, Albert J. Keung
Revista: Nature Nanotechnology
DOI: 10.1038/s41565-024-01771-6

Fonte: Inovação Tecnológica