David Tavares– 62818 Eduardo Vicente – 62837 Gonçalo Rodrigues – 62827 Joana Branco – 62841 Mariana Francisco – 62854 Rita Anunciação - 62826.

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1 David Tavares– 62818 Eduardo Vicente – 62837 Gonçalo Rodrigues – 62827 Joana Branco – 62841 Mariana Francisco – 62854 Rita Anunciação - 62826

2 Alan Mathison Turing Nasceu em 1912, em Inglaterra. Sempre teve grande interesse pela Ciência, tornou-se num grande matemático. Especializou-se na área da computação. Bringing DNA computers to life

3 1936 Turing projecta uma ideia inovadora de máquina computacional Modelo abstracto de computador Considerando apenas aspectos lógicos: Memória Estados Transições Sem implementação física que hoje conhecemos Trabalho de Turing : base para a computação até aos dias de hoje !

4 Bringing DNA computers to life As semelhanças são evidentes entre a ideia de Turing e o funcionamento do interior das células: Máquina de Turing“Máquina biológica” Ambos os sistemas: Funcionam de acordo com um conjunto de regras e informações pré-definidas Avançam ao longo de cadeias que contêm a informação a processar Processam, modificam ou acrescentam símbolos de acordo com essas regras

5 Bringing DNA computers to life Analogia entre o funcionamento dos dois sistemas Perspectiva futura Moléculas biológicas como constituintes básicos de um inovador tipo de computador Motivo: Capacidade desses constituintes de actuarem num ambiente bioquímico Eventualmente, dentro de um organismo vivo

6 Bringing DNA computers to life Idealiza-se um “Doutor autómato” que trabalhe dentro de uma célula Percepção e captura de sinais e estímulos do ambiente envolvente Processamento desses sinais através de informações pré- programadas Interpretação como presença ou ausência de sintomas de uma certa doença Início da resposta terapêutica

7 Bringing DNA computers to life Nos últimos 7 anos... Criação de uma máquina biológica (DNA e proteínas) que é capaz de: Reconhecer sintomas de alguns tipos de cancro Libertar moléculas como resposta terapêutica MAS... tudo ainda dentro do tubo de ensaio!

8 Bringing DNA computers to life Dos Modelos às Moléculas... Descoberta de Shapiro: As operações de certas biomoléculas podem ser usadas para uma máquina de Turing Reconhecimento Fragmentação Ligação Movimento ao longo de uma cadeia

9 Bringing DNA computers to life Charles Bennet: Proposta de computador de Turing molecular em 1982. Tentativas Anteriores: Leonard M. Adleman: Problema dos caminhos hamiltonianos.

10 Bringing DNA computers to life Experiência de Adleman Vantagens e Desvantagens: Muito mais rápido a resolver o problema que os computadores normais. A análise dos dados era muito demorado usando as ferramentas que tinha ao seu alcance.

11 Bringing DNA computers to life Modelo de Shapiro

12 Models to Molecules Versão simplificada do computador molecular de Turing Versão simplificada do computador molecular de Turing Funções: Funções: ► ler uma sequência de entrada (input) de símbolos (a e b) ► ler uma sequência de entrada (input) de símbolos (a e b) ► descobrir se existe um numero par de bs ► descobrir se existe um numero par de bs Funcionamento: Funcionamento: ► dois estados ( 1 ou 0) ► dois estados ( 1 ou 0) ► um programa constituído por quatro instruções ou regras de transição. ► um programa constituído por quatro instruções ou regras de transição. Autómato Finito Bringing DNA computers to life

13 Models to Molecules INPUT - Uma molécula de DNA em dupla hélice a funcionar como sequência de entrada INPUT - Uma molécula de DNA em dupla hélice a funcionar como sequência de entrada SOFTWARE - quatro moléculas de DNA mais reduzidas a operarem como regras de transição. SOFTWARE - quatro moléculas de DNA mais reduzidas a operarem como regras de transição. HARDWARE – enzimas naturais manipuladoras de DNA – Fokl e Ligase HARDWARE – enzimas naturais manipuladoras de DNA – Fokl e Ligase Sistema autónomo do ponto de vista computacional Sistema autónomo do ponto de vista computacional Capaz de ser aproveitado para outras tarefas, consoante os diferentes programas Capaz de ser aproveitado para outras tarefas, consoante os diferentes programas Autómato Finito (aplicações de Benenson) Bringing DNA computers to life

14 Models to Molecules OPTIMIZAÇÃO do DESEMPENHO: OPTIMIZAÇÃO do DESEMPENHO: ► avaliação da capacidade de execução do autómato quando se remove um componente molecular de cada vez ► avaliação da capacidade de execução do autómato quando se remove um componente molecular de cada vez ► descobriu-se ao retirar a ligase que o processo progrediu sem problemas ► descobriu-se ao retirar a ligase que o processo progrediu sem problemas ► a enzima Fokl é capaz de reconhecer e fragmentar sequências de DNA quer as suas moléculas em dupla hélice se encontrem unidas ou não ► a enzima Fokl é capaz de reconhecer e fragmentar sequências de DNA quer as suas moléculas em dupla hélice se encontrem unidas ou não ► Redução em 50% do hardware enzimático requerido; ► Redução em 50% do hardware enzimático requerido; ► computador totalmente autónomo utilizando uma fonte de energia e combustível interna ► computador totalmente autónomo utilizando uma fonte de energia e combustível interna ► reciclagem 2 moléculas de software que não eram consumidas ► reciclagem 2 moléculas de software que não eram consumidas Autómato Finito Bringing DNA computers to life

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16 Models to Molecules Em 2003 construção de um computador 100% autónomo e programável sem grandes gastos e consumos energéticos. Em 2003 construção de um computador 100% autónomo e programável sem grandes gastos e consumos energéticos. Infelizmente do ponto de vistas computacional o autómato finito era apenas uma amostra comparado ao objectivo principal: máquina de Turing biomolecular. Infelizmente do ponto de vistas computacional o autómato finito era apenas uma amostra comparado ao objectivo principal: máquina de Turing biomolecular. Autómato Finito Bringing DNA computers to life

17 “O DR. DNA” Este autómato de dois estados era demasiado simples, Este autómato de dois estados era demasiado simples, Por isso foi considerado apenas uma demonstração. Por isso foi considerado apenas uma demonstração. Depois desta experiência, os autores decidiram tentar criar um autómato mais complexo, de acordo com as ideias de Adleman. Depois desta experiência, os autores decidiram tentar criar um autómato mais complexo, de acordo com as ideias de Adleman. Bringing DNA computers to life

18 “O DR. DNA” Chegaram a um problema: as enzimas necessárias não existiam. Chegaram a um problema: as enzimas necessárias não existiam. A ciência não estava suficientemente desenvolvida para que essas enzimas fossem criadas. A ciência não estava suficientemente desenvolvida para que essas enzimas fossem criadas. Abandonaram esta ideia. Abandonaram esta ideia. Bringing DNA computers to life

19 “O DR. DNA” Regressaram então ao projecto já concretizado. Regressaram então ao projecto já concretizado. Quiseram dar uma aplicação médica para o processador de dois estados: a realização de um diagnóstico simples. Quiseram dar uma aplicação médica para o processador de dois estados: a realização de um diagnóstico simples. Bringing DNA computers to life

20 Como encontrar um diagnóstico Estado “sim” Verificar cada ponto da lista de sintomas Sempre “sim” Diagnóstico positivo Pelo menos um “não” Diagnóstico negativo Bringing DNA computers to life

21 “O DR. DNA” Exemplo: Exemplo: Casos de cancro caracterizam-se por níveis anormais de algumas proteínas na célula como resultado de genes específicos. Casos de cancro caracterizam-se por níveis anormais de algumas proteínas na célula como resultado de genes específicos. Um alto nível de mRNA que representa um sintoma de uma doença iria causar a predominância das moléculas de transição “sim” para “sim”. Um alto nível de mRNA que representa um sintoma de uma doença iria causar a predominância das moléculas de transição “sim” para “sim”. Este sistema podia ser aplicado a qualquer doença associada a níveis anormais de proteínas. Este sistema podia ser aplicado a qualquer doença associada a níveis anormais de proteínas. Bringing DNA computers to life

22 O que deve o computador fazer ao diagnosticar uma doença? Produzir um sinal de diagnóstico visível; Produzir um sinal de diagnóstico visível; Administrar um medicamento. Administrar um medicamento. Binyamin Gil: Binyamin Gil: O computador liberta uma molécula de remédio no caso de o diagnóstico ser positivo. O computador liberta uma molécula de remédio no caso de o diagnóstico ser positivo. Contudo, faltava uma questão: como desenvolver um sistema confiável com componentes duvidosos. Contudo, faltava uma questão: como desenvolver um sistema confiável com componentes duvidosos. Bringing DNA computers to life

23 “O DR. DNA” Poderia levar a um diagnóstico errado: Poderia levar a um diagnóstico errado: Pois a própria computação tem uma natureza pouco precisa; Pois a própria computação tem uma natureza pouco precisa; Devido ao comportamento dos elementos biomoleculares. Devido ao comportamento dos elementos biomoleculares. Por isso: Por isso: Contrabalançaram essa margem de erro criando dois tipos de moléculas: Contrabalançaram essa margem de erro criando dois tipos de moléculas: Um para libertar um remédio quando o processo fosse positivo; Um para libertar um remédio quando o processo fosse positivo; Outro para suprimir esse remédio quando o processo fosse negativo. Outro para suprimir esse remédio quando o processo fosse negativo. Bringing DNA computers to life

24 Nasce uma nova espécie Até agora, o computador biomolecular só foi demonstrado num tubo de ensaio: O ambiente biológico foi simulado com a adição de moléculas de DNA e RNA; Todos os componentes do autómato foram colocados no mesmo tubo. Os novos objectivos são: Fazer com que funcione numa célula; Observar o processo dentro da célula e fazer com que haja comunicação com o exterior. Bringing DNA computers to life

25 A inserção do autómato na célula Os sistemas de inserção molecular estão adapatados para DNA ou para proteínas, e este computador tem os dois. Observação dos aspectos computacionais dentro da célula Explorar alternativas para vincular o autómato ao seu ambiente Novas Etapas Reorganização do projecto para comunicar com o microRNA, em vez do mRNA Pesquisas recentes na área da oncologia mostram que microRNAs são melhores indicadores de doença Bringing DNA computers to life

26 Embora ainda falte muito para haver algum tipo de aplicação do projecto em organismos, já há um resultado de grande importância. A demonstração do tubo de ensaio confirmou que a máquina autónoma consegue, ao associar um sintoma bioquímico de doença aos passos básicos de um computador biológico, comunicar com sistemas biológicos e realizar cálculos significativos. o mecanismo de computação analisa o ambiente; o mecanismo de saída afecta esse ambiente de forma inteligente, com base no resultado da análise. Bringing DNA computers to life

27 O autómato conseguiu que os computadores biomoleculares interagissem directamente com o mundo bioquímico, e trouxe a ciência computacional de volta à visão de Turing. Os primeiros computadores desviaram-se deste conceito inicial para se ajustarem às limitações das peças electrónicas existentes, e só décadas depois nos voltamos a aproximar deste conceito. Bringing DNA computers to life

28 Tal não significa que os computadores biomoleculares venham a substituir as máquinas electrónicas em todas as tarefas! Ambas as espécies de computadores têm poderes diferentes e podem facilmente coexistir. Como as biomoléculas conseguem processar dados codficados noutras biomoléculas, há uma compatibilidade com os sistemas vivos que jamais será alcançada recorrendo a computadores electrónicos. Estas experiências sugerem que a nova vertente da computação é de uma importância fundamental, e que se vai mostrar valiosa para uma grande variedade de aplicações. O computador biomolecular ganhou vida… Bringing DNA computers to life