Computação baseada em DNA

1. 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

2. 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.

3. 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;

4. 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.

5. 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.

6. 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;

7. 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;

8. 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;

9. 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 Computadores A ( adenina ) T ( timina ) 0 e 1 G ( guanina ) C ( citosina ),

10. 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;

11. 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.

12. 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;

13. 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.

14. 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.

15. Problema do caixeiro-viajante

16. 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.

17. 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.

18. 1 – Gerar todas as rotas possíveis • Ingaí GCTACG • Lavras CTAGTA • Luminárias TCGTAC • Macaia CTACGG • Ijací ATGCCG

19. 1 – Gerar todas as rotas possíveis

20. 1 – Gerar todas as rotas possíveis

21. 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.

22. 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.

23. 3 – Selecionar os itinerários com o correto número de cidades

24. 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.

25. 4 – Itinerários que tenham o completo conjunto de cidades

26. 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?