Resumo:
Pesquisadores da Universidade Maynooth, na Irlanda, desenvolveram um novo tipo de computador de DNA que não depende dos tradicionais chips de silício e da entrada contínua de energia elétrica, mas usa a interação entre moléculas de DNA para completar operações matemáticas. O sistema é capaz de realizar operações como adição, subtração, multiplicação e divisão, e em experimentos processou com sucesso cálculos complexos envolvendo dados de 100 bits.
Os pesquisadores disseram que o sistema não só tem a capacidade de ser reutilizado, mas também pode contar com a interação das próprias moléculas para completar cálculos após a inicialização, fornecendo novas direções de pesquisa para futura computação de baixo consumo de energia, armazenamento de dados de longo prazo e aplicações biomédicas.
O resultado desta pesquisa foi publicado na revista acadêmica internacional Nature. A equipe de pesquisa chama esse sistema de Scaffolded DNA Computer (SDC) e o descreve como um dos sistemas de computação molecular mais complexos e rápidos relatados até agora.
Ao contrário dos computadores tradicionais que processam informações binárias através dos estados de comutação dos transistores, os computadores de DNA usam as propriedades químicas das moléculas de ácido nucleico para processar informações. Os pesquisadores pré-projetam as sequências de diferentes fragmentos de DNA, permitindo que essas moléculas se combinem entre si de acordo com regras específicas e, finalmente, formem uma estrutura molecular que possa representar os resultados do cálculo.
O sistema inteiro não se parece com um computador no sentido tradicional. Não requer placa-mãe, processador ou placa gráfica, nem o grande número de transistores chaveadores de alta velocidade encontrados em computadores eletrônicos tradicionais. Durante o experimento, os pesquisadores só precisam misturar água, sal, fragmentos curtos de DNA e uma estrutura de DNA mais longa em um tubo de ensaio e, através de uma pequena quantidade de aquecimento e posterior resfriamento, o processo de cálculo pode ser iniciado.
Entre eles, cadeias de DNA mais longas atuam como estruturas, e fragmentos curtos de DNA são combinados com elas de acordo com regras pré-definidas. À medida que a temperatura muda, as moléculas continuam a combinar-se e a reorganizar-se, formando gradualmente uma estrutura mais estável. O arranjo molecular final corresponde à resposta ao problema de cálculo.
O professor Damian Woods, do Instituto Hamilton da Universidade Maynooth, disse que uma inovação importante desta tecnologia é que o sistema pode encontrar naturalmente a resposta correspondente, sem a necessidade de entrada contínua de energia para conduzir cada etapa do cálculo.
Este método de cálculo utiliza os princípios da termodinâmica. Quando as moléculas de DNA interagem, diferentes métodos de ligação têm diferentes estados de energia. Ao projetar racionalmente sequências de DNA e estruturas de andaimes, os pesquisadores podem fazer com que o arranjo molecular que representa a resposta correta corresponda a um estado de energia mais favorável, de modo que todo o sistema tenda gradativamente para esse estado durante o processo de automontagem.
Por outras palavras, em vez de pedir ao processador para realizar cálculos passo a passo de acordo com uma série de instruções electrónicas como os programas tradicionais, os investigadores codificam antecipadamente as regras de cálculo em moléculas de ADN e depois deixam as moléculas confiar nas suas próprias interacções químicas para encontrar resultados que cumpram as regras.
Este método é particularmente adequado para estudar cálculos em nível molecular. Um grande número de moléculas de DNA pode interagir simultaneamente na mesma solução, de modo que o sistema tem potenciais capacidades de processamento paralelo. No entanto, o grande número de moléculas não significa que todos os cálculos possam ser concluídos imediatamente. A velocidade final ainda depende de múltiplos elos, como reações moleculares, montagem de estruturas e leitura de resultados.
Para verificar as capacidades reais do sistema, a equipe de pesquisa projetou e testou 10 programas de cálculo diferentes envolvendo uma variedade de operações matemáticas, incluindo tarefas de cálculo em escala de dados de até 100 bits.
Em um experimento simples, o computador de DNA completou com sucesso a operação de 10 mais 3, que levou cerca de 30 segundos. Para um computador convencional, este cálculo seria concluído quase instantaneamente, mas para um sistema que depende da automontagem de moléculas para completar o cálculo, este resultado demonstra a sua capacidade de lidar com tarefas computacionais simples.
Em outro experimento mais complexo, os pesquisadores pediram ao sistema para adicionar números que variavam entre 11 milhões e 34 milhões. Devido à maior escala de cálculos, o sistema leva cerca de 14 horas para obter resultados.
Essas experiências mostram que os computadores de DNA podem lidar com problemas muito mais complexos do que a simples adição de um único dígito, mas ainda há uma enorme lacuna entre sua velocidade de cálculo e a dos chips de silício tradicionais. Os pesquisadores não estão tentando construí-lo como um substituto direto para computadores comuns, mas esperam explorar outra maneira de usar o próprio assunto para processamento de informações.
O professor assistente Abir Eshra, que participou da pesquisa, disse que a velocidade de resposta desse sistema não é tão rápida quanto a dos chips de silício, mas seu desempenho apresenta vantagens em comparação com outros computadores de DNA desenvolvidos anteriormente. Ela enfatizou que o objetivo da pesquisa não é fazer com que os computadores de DNA superem os computadores eletrônicos tradicionais em todas as tarefas, mas sim aproveitar as vantagens potenciais da computação molecular em termos de consumo de energia e processamento paralelo.
Além do poder computacional, o desempenho de reutilização do sistema também é um dos resultados importantes desta pesquisa. Experimentos mostraram que o mesmo sistema de computação de DNA pode executar continuamente até 25 tarefas de computação diferentes, sem a necessidade de reconstruir completamente o sistema a cada vez.
Para a computação molecular, a reutilização é importante. Alguns métodos iniciais de computação de DNA consumiam uma grande quantidade de materiais moleculares, tornando difícil continuar a usar o sistema original após a conclusão de um cálculo. Se um grande número de moléculas de DNA tiver de ser preparado novamente para cada operação, o custo e a dificuldade de aplicação prática da tecnologia relacionada aumentarão significativamente.
O sistema desenvolvido pela equipe da Maynooth University pode ser reutilizado em cálculos contínuos, proporcionando a possibilidade de estabelecer uma plataforma de computação molecular mais prática no futuro. No entanto, a investigação ainda se encontra em fase laboratorial e a estabilidade do sistema em tarefas mais complexas, execuções mais longas e implementações em grande escala necessita de mais verificações.
O pano de fundo desta pesquisa é a pressão energética provocada pelo crescimento contínuo das necessidades globais de computação e armazenamento de dados.
Modelos de inteligência artificial, serviços de computação em nuvem e grandes data centers exigem um grande número de processadores para funcionar continuamente. À medida que a escala das tarefas de computação continua a expandir-se, o consumo de energia dos sistemas de computação electrónica tradicionais tornou-se uma questão cada vez mais importante no desenvolvimento industrial.
Woods destacou que a computação e o armazenamento de dados são responsáveis por uma proporção significativa do consumo de eletricidade da Irlanda. Ele acredita que durante muito tempo as pessoas tenderam a equiparar computadores a chips de silício e circuitos eletrônicos, mas ignoraram que existem outros sistemas na natureza que podem processar informações.
O cérebro é um exemplo. O cérebro humano é capaz de realizar tarefas complexas de processamento de informações com muito menos consumo de energia do que muitos sistemas de computação modernos. Embora a computação do ADN não funcione da mesma forma que o cérebro, os investigadores esperam encontrar novas arquitecturas de computação explorando processos físicos e químicos diferentes da computação electrónica tradicional.
O próprio DNA também tem uma densidade de informação extremamente alta. É composto por quatro nucleotídeos básicos, que codificam informações em diferentes arranjos. Em teoria, o ADN pode armazenar grandes quantidades de dados num volume extremamente pequeno, por isso tem sido considerado há muito tempo como um meio potencial para futuro armazenamento de dados de alta densidade.
No entanto, o armazenamento de DNA e a computação de DNA são duas direções de pesquisa relacionadas, mas diferentes. O armazenamento de DNA concentra-se principalmente em como codificar informações digitais em sequências de ácidos nucleicos e lê-las de forma confiável quando necessário; A computação de DNA tenta usar as interações entre moléculas para completar diretamente operações lógicas ou matemáticas. O foco desta pesquisa está neste último, e também fornece uma base para a exploração futura de sistemas que combinem computação e armazenamento.
Os pesquisadores acreditam que esta tecnologia pode ser usada no futuro em cenários específicos onde a preservação da informação a longo prazo é necessária, o fornecimento de energia é limitado ou as capacidades de processamento paralelo das moléculas podem ser totalmente utilizadas. Por exemplo, em alguns sistemas de armazenamento de dados a longo prazo, se a preservação da informação puder ser integrada com parte da tarefa informática, existe uma oportunidade para reduzir a dependência de equipamentos electrónicos tradicionais.
No futuro, a computação molecular também poderá ser combinada com a pesquisa biomédica. Dado que o próprio ADN é uma molécula de informação nos organismos vivos, os investigadores esperam explorar se sistemas moleculares semelhantes podem ser utilizados para realizar tarefas específicas dentro das células ou em ambientes biológicos, tais como identificar certos sinais moleculares relacionados com doenças.
Se implementados no futuro, espera-se que tais sistemas ajudem os investigadores a desenvolver novos sensores moleculares ou permitam que biomoléculas específicas respondam ao ambiente circundante. No entanto, o actual computador de ADN ainda é um sistema experimental que funciona num tubo de ensaio, o que não significa que os cientistas tenham sido capazes de implantar um computador de ADN completo em células humanas.
Do ponto de vista da engenharia, ainda existem muitos problemas a serem resolvidos com esta tecnologia. Primeiro, o processo de montagem da molécula de DNA requer temperaturas, condições de solução e concentrações de moléculas adequadas, e os pesquisadores devem garantir que diferentes lotes de experimentos possam produzir resultados consistentes. Em segundo lugar, após a conclusão do cálculo, o sistema também precisa ler a estrutura molecular através de métodos apropriados e converter os resultados em informações que humanos ou outros dispositivos de computação possam usar.
Para aplicações em larga escala, também é importante melhorar a velocidade de cálculos complexos, reduzir erros, reduzir o custo de materiais de DNA e estabelecer processos de preparação repetíveis. Mesmo que as moléculas possam realizar operações sem a necessidade de energia constante, o processo de aquecimento, preparação e leitura do equipamento experimental ainda pode consumir energia. Portanto, o significado mais preciso desta pesquisa é demonstrar um mecanismo de computação molecular que não requer eletricidade contínua para conduzir o processo de cálculo, em vez de provar que todo o processo experimental não requer energia alguma.
O projeto DISCO do qual a equipe de pesquisa participou, o DNA Basic Storage and Computing Infrastructure Project, espera desenvolver ainda mais métodos de uso do DNA para armazenamento e computação de informações. O projeto recebeu aproximadamente 4 milhões de euros em financiamento do Conselho Europeu de Inovação e foi liderado por Woods.
Os pesquisadores disseram que o trabalho atual é uma pesquisa básica exploratória e ainda há grande incerteza na direção da aplicação futura. Os computadores de DNA não substituirão os processadores tradicionais em PCs, smartphones ou data centers de inteligência artificial no curto prazo, mas poderão fornecer uma maneira diferente de implementar certas tarefas de computação especializadas.
O que é realmente importante nesta pesquisa é que ela mostra que a computação não precisa depender apenas de transistores e circuitos eletrônicos alimentados continuamente. Ao projetar cuidadosamente a estrutura molecular, os pesquisadores conseguiram permitir que o DNA completasse operações matemáticas durante seu processo de automontagem e retivesse uma estrutura que representasse os resultados após a conclusão dos cálculos.
À medida que as demandas de computação e o consumo de energia continuam a crescer, encontrar métodos de computação diferentes dos chips de silício tradicionais tornou-se uma importante direção de pesquisa na comunidade científica. Os computadores de DNA ainda estão muito longe de aplicações práticas, mas fornecem uma direção que vale a pena continuar a explorar para a computação de baixa energia, o processamento de informações moleculares e as novas tecnologias de armazenamento de dados.
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