{"id":1593,"date":"2012-03-22T11:00:40","date_gmt":"2012-03-22T14:00:40","guid":{"rendered":"http:\/\/scienceblogs.com.br\/synbiobrasil\/?p=1593"},"modified":"2012-03-22T11:00:40","modified_gmt":"2012-03-22T14:00:40","slug":"computadores-bacterianos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/synbiobrasil\/2012\/03\/22\/computadores-bacterianos\/","title":{"rendered":"Computadores bacterianos"},"content":{"rendered":"

\"\"<\/a>De acordo com o verbete da wikipedia, um computador \u00e9 uma m\u00e1quina program\u00e1vel desenhada para, automaticamente, realizar um sequ\u00eancia de opera\u00e7\u00f5es aritim\u00e9ticas ou l\u00f3gicas. Um computador pode prover-se de in\u00fameros atributos, dentre eles armazenamento de dados, processamento de dados, c\u00e1lculo em grande escala, desenho industrial, tratamento de imagens gr\u00e1ficas, realidade virtual, entretenimento e cultura. Os primeiros computadores anal\u00f3gicos surgiram no s\u00e9culo XVII e eram capazes de realizar as fun\u00e7\u00f5es b\u00e1sicas de somar, subtrair, multiplicar e dividir. Mas foi na II Guerra Mundial, em meados do s\u00e9culo XX, que realmente nasceram os computadores atuais. A Marinha dos Estados Unidos, em conjunto com a Universidade de Harvard, desenvolveu o computador Harvard Mark I, projetado pelo professor Howard Aiken, com base no calculador anal\u00edtico de Babbage. O Mark I ocupava 167m2 e pesada cerca de 30 tonelada aproximadamente, conseguindo multiplicar dois n\u00fameros de dez d\u00edgitos em tr\u00eas segundos.Seu funcionamente era parecido com uma calculadora simples de hoje em dia. Nem \u00e9 preciso falar o quanto esta tecnologia se desenolveu at\u00e9 hoje, em que hoje se discuti processadores qu\u00e2nticos e se faz computa\u00e7\u00e3o em nuvem. Uma plataforma diferente das \u201cbaseadas no sil\u00edcio\u201d, que estamos acostumados, s\u00e3o os biocomputadores. Em 1994, em um experimento muito elegante, Leonard Adleman desenvolveu o primeiro experimento envolvendo um computador de DNA para resolver o problema do Caminho Hamiltoniano: um problema que envolve caminhos hamiltonianos \u00e9 o problema do caixeiro viajante, em que um caixeiro deseja visitar um conjunto de N cidades (v\u00e9rtices), passando por cada cidade exatamente uma vez, fazendo o caminho de menor tamanho poss\u00edvel (Figura 1).<\/p>\n

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Figura 1. O grafo em vermelho \u00e9 hamiltoniano.<\/p>\n

Cada bola \u00e9 um n\u00f3 e cada flecha \u00e9 uma aresta. Existem multiplas possibilidades de construir um computador baseado em DNA, em que cada um possui suas vantagens e desvantagens. A maioria deles funciona utilizando as portas l\u00f3gicas (AND, OR, NOT) associadas a l\u00f3gica digital utilizando como base o DNA, como por exemplo, o contador bacteriano . Por\u00e9m os primeiros computadores moleculares baseados em DNA, s\u00e3o rea\u00e7\u00f5es in vitro utilizando, por exemplo, enzimas de restri\u00e7\u00e3o, ligases, e DNA (Benenson et al. 2001). Atrav\u00e9s da mistura desse componentes e rea\u00e7\u00f5es em cascada de digest\u00e3o, liga\u00e7\u00e3o e hibridiza\u00e7\u00e3o, o output final \u00e9 uma mol\u00e9cula detect\u00e1vel que representa o resultado computacional. Em 1994, Leonard Aldleman foi capaz desenvolver um computador in vitro baseado em DNA para solucionar o problema do Caminho Hamiltoniano (Figura 1), por\u00e9m apenas em 2009, Baumgardner e colaboradores conseguiram resolver um problema complexo in vivo, em E. coli. Por\u00e9m, para entender, \u00e9 necess\u00e1rio uma s\u00e9rie de abstra\u00e7\u00f5es para tornar sequ\u00eancias de DNA em v\u00e9rtices e arestas de um caminho hamiltoniano (ver Figura 2). A primeira abstra\u00e7\u00e3o trata segmentos de DNA como as arestas de um determinado grafo. As arestas de DNA s\u00e3o flanqueados por s\u00edtios hixC que podem ser embaralhados por um recombinase Hin, criando diversas ordens e orienta\u00e7\u00f5es rand\u00f4micas para as arestas do grafo. A segunda abstra\u00e7\u00e3o est\u00e1 relacionada com os n\u00f3s, com exce\u00e7\u00e3o do n\u00f3 terminal, em que um n\u00f3 \u00e9 um gene divido ao meio por uma sequ\u00eancia hixC. Os autores conseguiram construir enzimas funcionais portando essas sequ\u00eancias codificadas no DNA. Dessa maneira, a primeira metade (5\u00b4) de um n\u00f3 \u00e9 encontrada na aresta de DNA que termina em um n\u00f3, enquanto a segunda metade (3\u00b4) do gene \u00e9 encontrado em uma aresta de DNA que se origina no n\u00f3. Calma, realmente n\u00e3o \u00e9 f\u00e1cil entender, \u00e9 preciso pensar e abstrair, veja a figura 2.<\/p>\n


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Figura 2. Constru\u00e7\u00e3o de DNA que codificam um problema do Caminho Hamiltoniano com tr\u00eas n\u00f3s. a. O grafo contendo o caminho Hamiltoniando come\u00e7a no n\u00f3 RFP, procedendo para o n\u00f3 GFP e terminando no n\u00f3 TT. b. Constru\u00e7\u00e3o ABC representam a solu\u00e7\u00e3o para o problema dos tr\u00eas n\u00f3s. Os tr\u00eas fragmentos de DNA flanqueado por hixC est\u00e3o na ordem e orienta\u00e7\u00e3o corretas, de maneira que os genes GFP e RFP est\u00e3o intactos. ACB possui o gene RFP intacto, por\u00e9m o gene GFP est\u00e1 errado, por fim, a constru\u00e7\u00e3o BAC n\u00e3o possue nenhum gene intacto.<\/p>\n

A Figura 2a mostra o grafo com os 3 n\u00f3s e as 3 arestas que foram escolhidas para serem codificados no computador bacteriano. O gr\u00e1fico cont\u00eam um \u00fanico caminho hamiltoniano que come\u00e7a no n\u00f3 RFP, viajando pela aresta A at\u00e9 o n\u00f3 GFP, e utilizando a aresta B at\u00e9 alcan\u00e7ar o n\u00f3 final TT. A aresta C, the RFP at\u00e9 TT \u00e9 um detrator. A Figura 2b ilustra como as constru\u00e7\u00f5es de DNA foram utilizadas para solucionar o problema do Caminho Hamiltoniano com um controle positivo e duas configura\u00e7\u00f5es sem solu\u00e7\u00f5es. J\u00e1 que as solu\u00e7\u00f5es precisam originar no n\u00f3 RFP e terminar no n\u00f3 GFP, a aresta A de DNA cont\u00eam na extremidade 3\u00b4a metade de RFP seguida por a extremidade 5\u00b4de GFP. A aresta B de DNA se origina em GFP e termina em TT, dessa maneira, esse fragmento de DNA possui 3\u00b4GFP seguido de um terminado de transcri\u00e7\u00e3o duplo. A aresta C se origina em uma metade 3\u00b4 de RFP e termina em TT. Finalmente, com os genes codificadores para RFP e GFP est\u00e3o intactos, com promotores e RBS, e seguintes de um terminador de transcrip\u00e7\u00e3o, col\u00f4nias ABC expressam fluoresc\u00eancia vermelha e verde, dessa maneira, possuem apar\u00eancia amarela.<\/p>\n

Para concluir a abstra\u00e7\u00e3o eu gosto de imaginar que a recombinase Hin \u00e9 o caxeiro viajante que faz o seu caminho pelo DNA e a sequ\u00eancia de DNA contem o mapa do caminho realixado.<\/p>\n

A programa\u00e7\u00e3o de bacteria para computar solu\u00e7\u00f5es de problemas complexos podem oferecer as mesmas vantagens dos computadores atuais que estamos acostumados, por\u00e9m, com as seguintes caracter\u00edsticas adicionais: (i) sistemas bacterianos s\u00e3o aut\u00f4nomos, eliminando a necessidade de interven\u00e7\u00e3o humana, (ii) computadores bacterianos podem se adaptar a condi\u00e7\u00f5es flutuantes, evoluindo para resolver desafios de determinados problemas e (iii) o crescimento exponencial de bact\u00e9rias continuamente aumente o n\u00famero de processadores trabalhando em um problema (Baumgardner et al., 2009). Sem contar que eles ainda poderiam fazer fotoss\u00edntese\u2026<\/p>\n

Adleman LM: Molecular computation of solutions to combinatorial problems. Science 1994, 266:1021-1024.<\/p>\n

Benenson Y, Paz-Elizur T, Adar R, Keinan E, Livneh Z, Shapiro E: Programmable and autonomous computing machine made of biomolecules. Nature 2001, 414:430-434.<\/p>\n

Baumgardner , J et al. Solving a Hamiltonian Path Problem with a bacterial computer. J. Biol. Eng. 2009, 24;3:11.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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