Computação baseada em DNA INFORMÁTICA E SOCIEDADE Prof

Computação baseada em DNA INFORMÁTICA E SOCIEDADE Prof. José Monserrat Anderson de Rezende Rocha Adriano Arlei de Carvalho Antonio Galvão de Rezende Júlio César Alves {undersun, arlei, galvao, jcalves}@comp. ufla. br

Roteiro • A evolução da computação; • O DNA § A história; • A computação baseada em DNA § § Como tudo começou; Vantagens; Desvantagens; Resolvendo o problema do caixeiro-viajante; • Considerações finais.

A evolução da computação • • Revolução desde o ENIAC; Substituição da válvula pelo transistor; Primeiro circuito-integrado; Computação paralela; Lei de Moore; Limitações dos chips de silício; O novo paradigma da computação por DNA;

O DNA (i) • Watson e Crick 50 anos atrás; • O alfabeto genético é o mesmo para a bactéria, a formiga, o homem, o elefante, o arroz, o feijão e as árvores; • Jogue alguns As para lá, outros Ts para cá, corte alguns milhões de pares de bases e, ao invés de um homem, você tem um camundongo; ao invés de capim, uma sequóia gigante.

O DNA (ii) • As bases § § Adenina (A), Timina (T), Guanina (G), Citosina (C). • Podem ser combinadas entre si, em grupos de três. Cada combinação determina o código para um aminoácido. Estes formam as proteínas dos seres vivos.

História do DNA (i) • 1944 § Demonstração do DNA como material genético; • 1953 § A descoberta; • 1957 § DNAs são capazes de se auto-replicar; • 1963 § Descoberta das base do DNA (A, G, T, C); • 1977 § Invenção de técnicas para ler informações no DNA;

História do DNA (ii) • 1978 § Cientistas clonam um gene para produção de insulina humana; • 1982 § Primeiro animal por manipulação genética (um rato gigante); • 1984 § Técnica para identificação de pessoas através do DNA; • 1987 § Eva mitocondrial;

História do DNA (iii) • 1990 § Começa o projeto Genoma Humano; • 1991 § Primeiro touro transgênico do mundo; • 1993 § Embriões humanos in-vitro; • 2000 § Anunciado o primeiro rascunho do genoma humano; • 2003 § Término do projeto Genoma Humano;

Computação por DNA, o começo • Leonard Adleman em 1993, a inspiração § Percebeu a similaridade entre DNA e os computadores; § Armazenamento de informações semelhante aos computadores; § DNA A ( adenina ) T ( timina ) G ( guanina ) C ( citosina ), Computadores 0 e 1

Como tudo começou. . . (ii) • Seis meses depois, desenho para o primeiro computador molecular; • Leonard Adleman em 1994 § Biologia molecular para resolver problemas matemáticos; § Resolução do problema do caixeiro-viajante;

Como tudo começou. . . (iii) • Importância do trabalho de Adleman § ilustra a possibilidade de usar DNA para resolver uma classe de problemas intratáveis; § é um exemplo de computação em nível molecular; § demonstra o aspecto único do DNA como uma estrutura de dados; § demonstra que a computação com DNA pode trabalhar em uma abordagem massivamente paralela; § faz a sociedade repensar as maneiras clássicas de computação.

Como tudo começou. . . (iv) • Instituto Weizmann de Ciência em Rehovot, Israel, pesquisador Ehud Shapiro; • Transformação, DNA máquina de Turing § 2001, produção do 1º computador-DNA sem interferência humana na manipulação das reações; § Fita de entrada, filamentos de DNA; § Duas das quatros letras, A, T, G, C, para representar 0 e 1; Duas enzimas representando o hardware do computador; § 2002, computador auto-sustentável;

Vantagens • Chips seriam minúsculos; • Capacidade de armazenamento potencialmente vasta; § Um grama de DNA 1 milhão de CDs; • Possibilidade de fazer grande quantidade de cálculos paralelos; • São auto-sustentáveis.

Desvantagens • Nenhum computador de DNA exibe seus resultados em um monitor convencional; • Um segundo para realizar os cálculos, e uma semana para decifrar os resultados.

Problema do caixeiro-viajante

A solução. . . (i) • Vamos resolvê-lo em 4 passos: § gerar todas as rotas possíveis; § selecionar os itinerários que tenham a cidade de início e fim adequadas; § selecionar os itinerários com o correto número de cidades; § selecionar os itinerários que contenham cada cidade apenas uma vez.

1 – Gerar todas as rotas possíveis • Estratégia: codificar os nomes das cidades em pequenas seqüências de DNA. Codifique os itinerários através da conexão das seqüências das cidades para as quais existem rotas.

1 – Gerar todas as rotas possíveis • • • Ingaí Lavras Luminárias Macaia Ijací GCTACG CTAGTA TCGTAC CTACGG ATGCCG

1 – Gerar todas as rotas possíveis

2 – Itinerários que tenham a início e fim adequados • Estratégia: seletivamente copiar e amplificar apenas seções do DNA que comecem com Ingaí e terminem com Ijací usando reação em cadeia de polimerase.

3 – Selecionar os itinerários com o correto número de cidades • Estratégia: ordenar o DNA pelo tamanho da seqüência e selecionar os tamanhos correspondentes a 5 cidades usando gel eletroforético.

3 – Selecionar os itinerários com o correto número de cidades

4 – Itinerários que tenham o completo conjunto de cidades • Estratégia: Sucessivamente filtrar as moléculas de DNA por cidade, uma de cada vez. • Desde que o DNA que nós deixamos no tubo de ensaio é de tamanho 5 nós iremos codificar cada cidade uma vez.

4 – Itinerários que tenham o completo conjunto de cidades

Considerações finais • Irá o computador de DNA resolver o problema do caixeiro-viajante com um número de cidades maior que os computadores tradicionais? (15. 000) • Médicos celulares? • Teremos que alimentar nossos computadores?