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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?