Chip sequenciador decodifica DNA próton por próton

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/07/2011

Um chip capaz de sequenciar um genoma inteiro.
A nova tecnologia foi apresentada pela empresa Ion Torrent, em um artigo de seus pesquisadores, publicado na revista Nature.

Lei de Moore para a genética

Além de três bactérias, o chip foi testado para sequenciar o genoma de um humano. Especificamente, de um humano chamado Gordon Moore, autor da famosa Lei de Moore, que estabelece que o número de transistores dentro de um chip dobra a cada 18 meses.
Nenhuma outra jogada de marketing conseguiria atrair tamanha atenção, mesmo com a importância de uma tecnologia de sequenciamento genético baseada em um chip.
A Ion Torrent afirma que sua tecnologia permitirá que o sequenciamento do genoma humano custe US$1.000,00 nos próximos dois anos.
Tudo baseado na Lei de Moore: se a capacidade do chip sequenciador seguir o mesmo ritmo dos microprocessadores, a empresa calcula que bastará uma única geração de melhorias para que o sequenciamento genômico fique ao alcance de qualquer bolso.
Hoje, o chip sequenciador já custa apenas US$99,00. Mas o equipamento completo para fazer o sequenciamento, chip incluído, custa cerca de US$50.000,00.

Quando a base coincide com o molde no nanofuro (em cima), é liberado um próton, e o sensor a registra diretamente no formato de digital. Caso contrário (embaixo), nenhum próton é liberado. [Imagem: Ion Torrent]

Tecnologias de sequenciamento genético

O fato é que a tecnologia baseada em semicondutor representa um avanço substancial em relação às atuais tecnologias de sequenciamento genético, ainda que não tenha atingido o mesmo nível de precisão das máquinas muito mais caras.
Os sequenciadores genéticos atuais usam detecção óptica. Uma fita única de DNA é convertida em uma fita dupla fazendo com que a segunda fita cresça base por base. Com o uso de marcadores, essas bases podem ser detectadas por tecnologia óptica, resultando na sequência genética.
O chip sequenciador é muito mais simples. Em vez dos reagentes para marcar as bases, o chip detecta uma elevação no pH que ocorre conforme cada nucleotídeo se junta à fita em crescimento e libera um próton (H⁺) no processo.
O chip contém uma malha de nanofuros, cada um contendo um modelo diferente de DNA, uma espécie de gabarito. Abaixo desses furos vem uma camada capaz de detectar os prótons e, abaixo, o sensor principal do chip. É por isto que a empresa afirma que seu chip lê o genoma próton por próton.
"Se um nucleotídeo, por exemplo um C, é adicionado a um dos gabaritos [nos nanofuros] e então incorporado à fita de DNA, será liberado um íon de hidrogênio. A carga do íon altera o pH da solução, o que pode ser detectado por nosso sensor de íons. Nosso sequenciador - essencialmente o menor peagâmetro de estado sólido do mundo - vai nomear a base, passando diretamente da informação química para a informação digital," explica a empresa.
Uma comparação bastante elucidativa pode ser feita com um sensor CCD de uma câmera digital. Enquanto o CCD capta fótons para registrar as imagens, o sensor do chip sequenciador de DNA "capta uma reação química". Como o nucleotídeo já está identificado, a informação do genoma é registrada diretamente em formato digital.
Há outras técnicas de sequenciamento genômico mais futurísticas, ainda em fase de desenvolvimento, como o sequenciamento eletrônico do DNA.

Cada nanofuro contém uma gota de polímero com uma fita única de DNA, onde cada nucleotídeo é identificado. [Imagem: Ion Torrent]

Maior resolução

Outros pesquisadores, não envolvidos no desenvolvimento do chip sequenciador, afirmam que sua precisão ainda deixa a desejar.
A empresa parece saber bem disso, e demonstra esperar o concurso da Lei de Moore para resolver o problema: ocorre que, grosso modo, a densidade dos nanofuros, onde ficam as fitas individuais de DNA que servem de modelo, define a precisão da medição - quanto mais nanofuros, maior será a precisão.
Continuando com a analogia com o sensor de uma máquina digital, é como se o sequenciamento de DNA mais preciso dependesse agora de alguns "megapixels" a mais - na verdade, de um adensamento da malha de nanofuros e das respectivas fitas-modelo de DNA.
Agora é só esperar para ver se a Lei de Moore aplica-se também ao mundo da biologia.

• Sequenciamento genético mostra suas forças e suas fraquezas

Bibliografia:

An integrated semiconductor device enabling non-optical genome sequencing
Jonathan M. Rothberg et al.
Nature
20 July 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nature10242

Biomimetismo em nanoescala: nanoporo seleciona proteínas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/07/2011

Nanoporos

Cientistas holandeses criaram um nanoporo sintético capaz de selecionar proteínas, deixando passar algumas e retendo outras, de acordo com suas características.

Os nanoporos - pequenos furos com dimensões na faixa dos nanômetros - são especialmente promissores porque esse é um dos principais mecanismos que os organismos biológicos usam em seu próprio funcionamento.

Os cientistas já demonstraram que os nanoporos biomiméticos - copiados da natureza - podem ser úteis nosequenciamento eletrônico do DNA, no estudo do Mal de Alzheimer, na dessalinização da água do mar, e em umanova geração de baterias, apenas para citar alguns exemplos.

Seletividade

Cees Dekker e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Delft criaram agora um nanoporo que funciona como uma plataforma de análise que permite estudar como as proteínas se movem para o núcleo das células.

Uma das principais características dos poros celulares é a sua seletividade, sendo muito "criteriosos" naquilo que deixam passar e no que retêm.

Não é para menos: uma falha em um desses processos poderia resultar na morte da célula ou do organismo inteiro.

É por isso que os cientistas têm interesse em reproduzir sinteticamente os nanoporos biológicos: eles poderão ser usados em pesquisas que vão do entendimento básico do funcionamento das células até o desenvolvimento e teste de novos medicamentos.

Biomimetismo

"As células humanas têm um núcleo, e as proteínas e o RNA precisam entrar e sair delas. Isto é regulado por pequenos buracos, chamados poros nucleares. São essencialmente poros biológicos que atuam como guardiões do núcleo da célula," explica o Dr. Dekker.

Embora ainda não seja claro como os poros biológicos alcançam a rigorosa seletividade que os ajuda a controlar o funcionamento da célula, os cientistas conseguiram fabricar um poro sintético que imita o mecanismo natural.

O poro propriamente dito, o "furo", é feito com um feixe de elétrons de alta energia, disparado sobre uma membrana de SiN. Variando-se a intensidade do feixe é possível ajustar a dimensão do furo.

Para imitar um nanoporo biológico, contudo, não é suficiente fazer um furo microscópico: é necessário "funcionalizá-lo", ou seja, dar a ele as características de um poro natural, o que é feito recobrindo com as moléculas adequadas.

Os poros nucleares são construídos pelo organismo segundo um molde biológico que ainda não pode ser simplesmente replicado - na verdade, os cientistas ainda não têm sequer um "mapa" das moléculas que o formam, o que mostra a importância da descoberta dos cientistas holandeses.

Como o nanoporo sintético retém algumas proteínas e deixa passar outras, ele pode funcionar como um filtro para a purificação de compostos biológicos ou para aplicar medicamentos seletivamente dentro de uma célula.

Bibliografia:

Single-molecule transport across an individual biomimetic nuclear pore complex
Stefan W. Kowalczyk, Larisa Kapinos, Timothy R. Blosser, Tomás Magalhães, Pauline van Nies, Roderick Y. H. Lim, Cees Dekker
Nature Nanotechnology
Vol.: 6, Pages: 433-438 (2011)
DOI: 10.1038/nnano.2011.88

Viagem no tempo: fótons não ultrapassam velocidade da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/07/2011

Cientistas demonstraram que o precursor óptico, a parte frontal e mais veloz do fóton, não supera a velocidade máxima da luz. [Imagem: Zhang et al./PRL]

Uma equipe de físicos da Universidade de Hong Kong afirma ter conseguido uma medição direta do precursor óptico de um único fóton, demonstrando que fótons individuais não podem viajar mais rápido do que a luz no vácuo.

O estudo reafirma a teoria de Einstein de que nada viaja mais rápido do que a velocidade máxima da luz e fecha um debate de uma década sobre a velocidade de um fóton individual.

Limite da velocidade da luz

Para Einstein, nada pode viajar mais rápido do que a velocidade máxima da luz.

Mas esta é a primeira demonstração experimental de que os chamados precursores ópticos - uma espécie de parte frontal da onda de luz, sua porção que viaja mais rapidamente - existem ao nível dos fótons individuais e que eles são, como se previa, a parte mais rápida do pacote de onda, mesmo em um meio superluminal.

Ou seja, se há alguém que realmente atinge a famosa velocidade máxima c - de 299.792.458 m/s - esse alguém é o precursor óptico.

"Os resultados ampliam nosso entendimento de como um fóton individual se move. Eles também confirmam o limite máximo de velocidade que uma informação pode ser transportada com luz," afirmou Shengwang Du, coordenador do estudo.

"Ao mostrar que os fótons individuais não podem viajar mais rápido do que a velocidade da luz, nossos resultados encerram o debate sobre a verdadeira velocidade da informação transportada por um único fóton. Nossas conclusões também poderão dar aos cientistas um quadro melhor sobre a transmissão da informação quântica," completou.

Quanto a "encerrar o debate", talvez seja melhor um pouco de prudência, uma vez que o experimento contém muitos pressupostos que podem ser discutidos. Para se ter uma ideia, em 2010, um grupo de pesquisadores alemães fez um experimento diferente e chegou à conclusão oposta.

• Fótons individuais superam velocidade da luz

O prof. Shengwang Du propõe a impossibilidade daquela que era considerada a forma mais fácil de viagem no tempo. Mas há outras possibilidades. [Imagem: UST]

Viagem no tempo

Há cerca de 10 anos, a descoberta de uma propagação superluminal - acima da velocidade da luz - causou sensação ao levantar a possibilidade da viagem no tempo. Mas só até que a diferença entre a velocidade de fase e a velocidade de grupo fosse devidamente explicada.

O que ocorre é que a propagação daqueles pulsos ópticos em alguns meios específicos era apenas um efeito visual - a velocidade superluminal de um grupo de fótons não poderia ser usada para transmitir qualquer informação real.

As esperanças foram então para os fótons individuais, porque a partícula quântica fóton parece poder viajar mais rápido do que o limite da velocidade da luz no mundo clássico.

Foi isto o que o Dr. Shengwang Du quis checar, medindo a velocidade máxima de um fóton individual.

Sua conclusão é que os fótons individuais obedecem às regras de trânsito da relatividade, confirmando a causalidade de Einstein, ou seja, que um efeito não pode ocorrer antes de sua causa - e isto joga por terra a possibilidade teórica da viagem no tempo que havia sido levantada com base na velocidade superluminal.

Possibilidades da viagem no tempo

Isto não significa, porém, que o experimento "provou que a viagem no tempo é impossível" - ele demonstra que não é possível viajar no tempo superando o limite de velocidade do universo com uma nave para fazer o tempo encolher.

É verdade que esta seria a forma "mais fácil" de viajar no tempo - ao menos para fótons.

Mas ainda restam esperanças para os visionários e curiosos sobre o passado e o futuro.

A teoria da relatividade continua aceitando a possibilidade de uma dobradura no contínuo do espaço-tempo para chegar aonde você já esteve antes - bastará ter uma massa suficiente, e controlável, para fazer isso, criando os agora já famosos "buracos de minhoca".

Algo bastante difícil, mas tampouco seria fácil entrar em uma nave do tamanho de um fóton.

Há também sugestões menos ortodoxas, baseadas na Teoria M, com a vantagem de serem testáveis experimentalmente.

• LHC pode se tornar a primeira máquina do tempo do mundo

O tempo existe?

Mas toda essa discussão pode produzir pouca luz se, antes, não se resolver uma questão mais fundamental, praticamente filosófica: o tempo é uma entidade real ou é apenas um construto humano? Se for este o caso, faria sentido falar em viajar através de algo que não seja uma entidade física?

• O tempo é real ou é uma ilusão?

Enquanto se desenrola a discussão, talvez seja mais divertido resolver a questão da possibilidade das viagens no tempo tentando detectar máquinas quânticas do tempo do futuro que estejam nos visitando hoje, uma possibilidade recentemente levantada.

Causalidade retardada

A pesquisa abre outra possibilidade interessante: como o fóton individual é considerado como uma entidade que tem uma porção frontal - o precursor óptico - que viaja mais rápido, isso significa que ele possui uma dimensão não-zero.

Assim, embora você não possa voltar no tempo com essa técnica, pode ser possível criar um hiato entre a causa e o efeito, modulando o comprimento do fóton como um todo.

Abstraindo das incrivelmente pequenas frações de tempo envolvidas, será possível ver "causas" que parecem não gerar efeitos, e "efeitos" que aparentemente saem do nada, quando todos já se esqueceram da sua "causa".

Imagine, por exemplo, bolas de bilhar que chocam-se com outras sem movê-las, como se estivessem se chocando contra um muro (causa sem efeito).

Ou, ao contrário, bolas de bilhar que repentinamente se movem sem que nada as atinja (efeito sem causa) - lembre-se de não esquecer o impacto anterior, para que a "mágica" dê certo.

Bibliografia:

Optical Precursor of a Single Photon
Shanchao Zhang, J. F. Chen, Chang Liu, M. M. T. Loy, G.K. L. Wong, Shengwang Du
Physical Review Letters
Vol.: 106, 243602 (2011)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.243602

Cientistas criam primeira rede neural artificial usando DNA

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/07/2011

Os cientistas deram um passo importante para a criação de uma inteligência artificial, não em um robô ou em um chip de silício ou em um programa de computador, mas dentro de um tubo de ensaio.

Rede neural líquida

Lulu Qian e seus colegas do Instituto de Tecnologia da Califórnia construíram uma rede neural artificial de DNA, criando um circuito de moléculas capazes de se recordar de memórias com base em padrões incompletos.

É mais ou menos assim que o nosso cérebro faz, quando um acontecimento inteiro é lembrado a partir de um pequeno "fio da meada", como a visão de uma foto ou mesmo um cheiro.

A equipe de Qian e Erik Winfree já havia criado umprocessador molecular com fitas de DNA, capaz de calcular uma raiz quadrada, mas agora eles queriam algo mais simples, para demonstrar o conceito de uma rede neural funcionando em meio líquido, mais próximo dos sistemas biológicos.

"Nós nos perguntamos se, em vez de uma rede de células neurais, fisicamente conectadas, uma sopa de moléculas em interação poderia exibir um comportamento parecido com o do cérebro," conta Qian.

E o experimento mostrou que a resposta para a pergunta é sim.

Jogo de leitura da mente

Composta por quatro neurônios artificiais, construídos com 112 fitas diferentes de DNA, a rede neural é capaz de participar de "um jogo de leitura da mente, na qual ela tenta identificar um cientista misterioso".

Os pesquisadores treinaram a rede neural para que ela "conhecesse" quatro cientistas, cujas identidades são representadas por um conjunto específico e único de respostas a quatro perguntas com respostas do tipo "sim ou não".

Depois de pensar em um dos quatro cientistas, um jogador humano fornece um subconjunto incompleto de respostas, que identifica parcialmente o cientista no qual ele pensou.

O jogador então transmite as pistas para a rede, colocando no tubo de ensaio fitas de DNA que correspondem às suas respostas.

Comunicando-se por meio de sinais fluorescentes, a rede neural de DNA identifica qual é o cientista que o jogador tem em mente.

Ou, caso não consiga a resposta, a rede pode "dizer" que não tem informações suficientes para escolher apenas um dos cientistas em sua memória, ou que as pistas contradizem suas lembranças.

Os pesquisadores jogaram este jogo com a rede utilizando 27 formas diferentes de responder às perguntas (de um total de 81 combinações), e ela respondeu corretamente todas as vezes.

A rede neural é capaz de participar de "um jogo de leitura da mente, na qual ela tenta identificar um cientista misterioso". [Imagem: Qian et al./Nature]

Aplicações futuras

Segundos os pesquisadores, sistemas bioquímicos com inteligência artificial - ou, pelo menos, com algumas capacidades básicas de tomada de decisão - podem ter aplicações na medicina, química e na pesquisa biológica.

No futuro, estes sistemas poderão operar dentro de células, ajudando a responder questões biológicas fundamentais ou diagnosticar uma doença.

Processos bioquímicos que possam responder de forma inteligente à presença de outras moléculas poderão permitir que os engenheiros sintetizem produtos químicos cada vez mais complexos, ou construam novos tipos de estruturas, molécula por molécula.

Desafios neurais

Mas ainda há muitos desafios a serem vencidos para se chegar a essas situações hipotéticas.

O primeiro deles é que fazer essa rede neural bioquímica funcionar dentro do corpo - ou mesmo em uma célula, ou dentro de um disco de Petri - é algo totalmente diferente do que foi demonstrado, já que um experimento similar in vivo seria muito mais complexo e com interações com outras moléculas que teriam que ser previstas e controladas.

A rede neural líquida também é muito lenta, levando oito horas para identificar cada cientista misterioso.

E, depois de dada a resposta, as moléculas não são capazes de se soltar e emparelhar com uma fita de DNA diferente. Ou seja, a rede somente consegue jogar o seu jogo da memória uma vez.

Finalmente, enquanto a rede atual tem quatro neurônios, as dificuldades para construir uma versão apenas um pouco maior - com 40 neurônios artificiais, por exemplo - são muito grandes, sem contar o tempo da resposta, que deverá aumentar exponencialmente. Para comparação, estima-se que um cérebro humano tenha 100 bilhões de neurônios.

Entendendo a evolução

Contudo, vista como uma prova de conceito, o experimento pode ajudar os cientistas a entender a evolução e o próprio funcionamento dos organismos biológicos.

"Antes que o cérebro evoluísse, os organismos unicelulares também eram capazes de processar informações, tomar decisões, e agir em resposta ao seu ambiente," explica Qian. E os organismos unicelulares de hoje continuam fazendo isso.

Ele especula que a fonte de tais comportamentos complexos deve ter sido uma rede de moléculas flutuando na célula: "Talvez o cérebro altamente evoluído e a forma limitada de inteligência vista em células individuais compartilhem um modelo computacional semelhante, que é simplesmente programado em diferentes substratos."

Modelo de neurônio

Os pesquisadores basearam sua rede neural bioquímica em um modelo simplificado de um neurônio, chamada de função limiar linear.

O neurônio modelo recebe os sinais de entrada, multiplica cada um por um peso positivo ou negativo, e o neurônio dispara, produzindo uma saída, somente se a soma ponderada das entradas ultrapassar um certo limiar.

"Este modelo é uma simplificação excessiva dos neurônios reais," diz Winfree, "mas é uma boa simplificação."

A técnica para sua construção é a mesma usada na construção do circuito de DNA capaz de calcular raízes quadradas.

Bibliografia:

Neural network computation with DNA strand displacement cascades
Lulu Qian, Erik Winfree, Jehoshua Bruck
Nature
20 July 2011
Vol.: 475, 368-372
DOI: 10.1038/nature10262