Computação com DNA

RESUMO

A computação com DNA é um campo da Bioinformática que, através da manipulação de sequências de DNA, busca a solução de problemas. Em 1994, o matemático Leonard Adleman, utilizando operações biológicas e manipulação de sequências de DNA, solucionou uma instância de um problema intratável pela computação convencional, estabelecendo assim, o início da computação com DNA. Desde então, uma série de problemas combinatórios vem sendo solucionada através deste modelo de programação.

Este artigo procura analisa a computação com DNA, com o objetivo de traçar algumas linhas básicas para quem deseja programar nesse ambiente. Para isso, são apresentadas algumas vantagens e desvantagens da computação com DNA.

Palavras-chave: computação com DNA, metodologias de programação com DNA, método de filtragem.

A DNA Computing methodology

ABSTRACT

The DNA computing is a field of Bioinformatics that by manipulating DNA sequences, search troubleshooting. In 1994 the mathematician Leonard Adleman using biological operations and manipulation of DNA sequences, one instance of a solved problem intractable by conventional computer, thereby establishing the initiation of DNA computing . Since then , a number of combinatorial problems has been solved by this programming model .

This article analyzes the DNA computing , in order to draw some basic guidelines for those who want to program in this environment. For this, are some advantages and disadvantages of DNA computing .

Keywords: DNA computing, DNA programming methodologies, filtering method.

1. INTRODUÇÃO

 A computação com DNA tem como seus principais objetivos alcançar novas descobertas biológicas a partir da utilização de técnicas matemáticas e desvendar a grande quantidade de dados que vem sendo obtida, a partir de dados de sequências de DNA e de proteínas.

Desde que foram definidos, na década de 70, existe um grande interesse no meio científico em encontrar uma solução eficiente para uma determinada classe de problemas matemáticos chamados problemas NP-Completo. Desde então, alguns outros problemas NP-Completos vem sendo solucionados através da manipulação de DNA.

A computação com DNA é um campo da Bioinformática que, através da manipulação de sequências de DNA, busca a solução de problemas. O fato de ser possível descobrir algoritmos de DNA eficientes, que solucionem problemas NP-Completo, indica que a computação com DNA é quantitativamente superior à computação eletrônica.

O grande poder da computação com DNA é que com um pequeno volume de solução (DNA), pode-se ter um vasto número de combinações em um curto período de tempo.

Para desenvolver algoritmos para a programação com DNA, faz-se necessária outra maneira de pensar e de construir os algoritmos, uma vez que, a programação com DNA possui um maciço paralelismo, ou seja, a mesma é não determinística, diferente da programação tradicional determinística.

Ao contrário da computação convencional, que possui metodologias para construção de algoritmos como os métodos top-down, botton-up, modular, entre outros, a computação com DNA ainda não possui metodologias bem definidas.

1. DESENVOLVIMENTO

A computação com DNA é um novo desafio para a Ciência da Computação. Esta ciência está baseada na manipulação genética de fitas de DNA e através de um conjunto de ações microbiológicas, que codificam os dados estruturados de um problema, em fitas de DNA (sequências de nucleotídeos) e computando uma solução através da manipulação destas fitas.

Esta técnica surgiu como uma proposta para utilizar o grande poder do paralelismo das reações moleculares na solução de problemas ainda não resolvidos satisfatoriamente pela computação convencional. A ideia não é substituir os computadores atuais por computadores de DNA, e sim, utilizá-los no futuro em casos onde nem os supercomputadores são eficientes.

Utilizar DNA para realizar computação não é o mesmo que utilizar a computação convencional, uma vez que a computação com DNA representa informações através de nucleotídeos (Adenosina, Timina, Guanina, Citosina) e utiliza reações moleculares para processar suas informações. A computação convencional representa informações através de bits (0’s e 1’s) e utiliza impulsos eletrônicos para processar informações. No processamento convencional os efeitos são bem conhecidos e na computação com DNA existe uma forte componente probabilística.

Um computador de DNA é basicamente um conjunto de fitas de DNA, especialmente selecionadas, e um conjunto de processos biológicos que manipulam estas fitas. Desta manipulação resulta a solução do problema proposto. Na computação convencional uma solução é construída, enquanto que na computação com DNA, devido ao fator probabilístico, muitas soluções precisam ser construídas para o resultado ser confiável.

Na seção seguinte será realizada uma breve descrição da estrutura das sequências de DNA e como estas sequências podem ser manipuladas em laboratório.

1. Manipulação de sequências de DNA

O DNA é uma molécula formada pela ligação de outras pequenas moléculas, chamadas nucleotídeos. Existem quatro diferentes tipos de nucleotídeos: adenosina, guanina, timina e citosina, respectivamente denominadas A, G, T e C.
Na computação com DNA trabalha-se com sequências (pedaços) de uma molécula de DNA e estas sequências podem ser simples ou duplas. As sequências simples (FIGURA 2.1) são formadas pela concatenação (síntese) dos nucleotídeos, podendo ser construída qualquer sequência desejada.

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Figura 2.1: Sequência simples de DNA

Já as sequências duplas (FIGURA 2.2) - forma natural da molécula de DNA in vivo - podem ser obtidas através de fragmentos de uma molécula de DNA ou pela ligação de fitas simples, porém existem algumas restrições entre estas ligações, que são: A pode ligar-se somente a T, T pode ligar-se somente a A, G pode ligar-se somente a C e C pode ligar-se somente a G, nenhuma outra combinação é possível. Esta restrição é chamada de complementaridade de Watson-Crick.

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