O termo 'DNA' lembra imediatamente a hélice de fita dupla que contém toda a nossa informação genética. Mas as unidades individuais de seus dois filamentos são pares de moléculas ligadas entre si de forma seletiva e complementar. Acontece que pode-se tirar proveito dessa propriedade de emparelhamento para realizar cálculos matemáticos complexos, e isso forma a base da computação de DNA.
Como o DNA tem apenas duas cadeias, realizar até mesmo um cálculo simples requer várias reações químicas usando diferentes conjuntos de DNA. Na maioria das pesquisas existentes, o DNA para cada reação é adicionado manualmente, um a um, em um único tubo de reação, o que torna o processo muito complicado. Chips microfluídicos, que consistem em canais estreitos gravados em um material como plástico, oferecem uma maneira de automatizar o processo. Mas, apesar de sua promessa, o uso de chips microfluídicos para computação de DNA permanece pouco explorado.
Em um artigo recente -- disponibilizado online no ACS Nano em 7 de julho de 2021 e publicado no Volume 15, Número 7 da revista em 27 de julho de 2021 -- uma equipe de cientistas da Universidade Nacional de Incheon (INU), Coréia, apresentou um chip microfluídico programável baseado em DNA que pode ser controlado por um computador pessoal para realizar cálculos de DNA. "Nossa esperança é que as CPUs baseadas em DNA substituam as CPUs eletrônicas no futuro porque consomem menos energia, o que ajudará no aquecimento global. As CPUs baseadas em DNA também fornecem uma plataforma para cálculos complexos, como soluções de aprendizado profundo e modelagem matemática", diz Dr. Youngjun Song da INU, que liderou o estudo.
Dra. Song e a equipe usaram a impressão 3D para fabricar seu chip microfluídico, que pode executar a lógica booleana, uma das lógicas fundamentais da programação de computadores. A lógica booleana é um tipo de lógica verdadeiro ou falso que compara entradas e retorna um valor de 'verdadeiro' ou 'falso' dependendo do tipo de operação ou 'porta lógica' usada. A porta lógica neste experimento consistia em um molde de DNA de fita simples. Diferentes DNAs de cadeia simples foram então usados como entradas. Se parte de um DNA de entrada tivesse uma sequência de Watson-Crick complementar ao DNA modelo, ele emparelharia para formar o DNA de fita dupla. A saída foi considerada verdadeira ou falsa com base no tamanho do DNA final.
O que torna o chip projetado extraordinário é um sistema de válvula motorizado que pode ser operado usando um PC ou smartphone. O chip e o software configurados juntos formam uma unidade de processamento microfluídico (MPU). Graças ao sistema de válvulas, o MPU pode realizar uma série de reações para executar uma combinação de operações lógicas de maneira rápida e conveniente.
Este sistema de válvula exclusivo do MPU baseado em DNA programável abre caminho para cascatas de reações mais complexas que podem codificar para funções estendidas. "A pesquisa futura se concentrará em uma solução total de computação de DNA com algoritmos de DNA e sistemas de armazenamento de DNA", diz o Dr. Song.
