Computação baseada Computação baseada em DNAem 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

RoteiroRoteiro

• 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 computaçãoA 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)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)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)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)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)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 começoComputação 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 ),

Como tudo começou... (ii)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)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)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;

VantagensVantagens

• 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.

DesvantagensDesvantagens

• 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 possíveis1 – 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 possíveis1 – Gerar todas as rotas possíveis

• Ingaí GCTACG

• Lavras CTAGTA

• Luminárias TCGTAC

• Macaia CTACGG

• Ijací ATGCCG

1 – Gerar todas as rotas possíveis1 – Gerar todas as rotas possíveis

1 – Gerar todas as rotas possíveis1 – Gerar todas as rotas possíveis

2 – Itinerários que tenham a início 2 – Itinerários que tenham a início e fim adequadose 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 3 – Selecionar os itinerários com o correto número de cidadescorreto 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 3 – Selecionar os itinerários com o correto número de cidadescorreto 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 finaisConsiderações 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?