O DNA - IC

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
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Como tudo começou;
Vantagens;
Desvantagens;
Resolvendo o problema do caixeiro-viajante;
• Considerações finais.
A evolução da computação
•
•
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•
•
•
•
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
0e1
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
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?