Computação com DNA

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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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Figura 2.2: Sequência dupla de DNA

A estrutura da sequência de DNA pode possuir duas direções que são: 5’ – 3’ ou 3’ – 5’. Essa direção se dá através da ligação de um nucleotídeo do grupo fosfato (5’) com o grupo hidroxila (3’) de outro nucleotídeo. A direção das sequências é importante para definir a ligação entre duas sequências simples e, além de satisfazer a restrição de Watson-Crick, as sequências devem ser de direções opostas (FIGURA 2.3).

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Figura 2.3: Direção das sequências

A manipulação destas sequências de DNA (simples ou duplas), para computar alguma informação, dá-se através de uma série de operações biológicas as quais são responsáveis por: formar sequências de nucleotídeos (sintetização), ligar sequências simples em duplas (hibridização), separar sequências duplas em simples (desnaturação), adicionar nucleotídeos a sequências incompletas (polimerização), cortar sequências (através de enzimas de restrição), multiplicar sequências (através da reação em cadeia da Polimerase ou PCR), separar sequências (através da eletroforese em gel), entre outras. A seguir estas operações serão comentadas.

• Sintetize de sequências. Uma fita de DNA pode ser criada em laboratório através de uma máquina, denominada sintetizador de DNA. Esta fita pode ter qualquer sequência de nucleotídeos desejada.

• Hibridização de sequências. Em condições de temperatura ideal, fitas simples de DNA complementares irão se ligar, formando uma única fita dupla (FIGURA 2.4).

3’

GGGGAT

5’

Figura 2.4: Operação de Hibridização[pic 4]

• Desnaturação de sequências. Moléculas de DNA podem ser separadas em fitas simples, sem que haja a quebra das ligações entre os nucleotídeos de uma mesma fita. Aquecendo a solução, em um intervalo de temperaturas entre 85° Celsius a 95° Celsius, as fitas duplas de DNA se separam formando fitas simples (FIGURA 2.5).

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Figura 2.5: Operação de desnaturação

• Polimerização em cadeia. A reação em cadeia da Polimerase ou PCR (do inglês Polimerase chain reaction) é uma operação para duplicar sequências de DNA. Esta operação utiliza a enzima polimerase, a qual é responsável por adicionar nucleotídeos ausentes em uma sequência de DNA já existente (FIGURA 2.6)

Figura 2.6: Operação de PCR[pic 6]

Na FIGURA 2.6 esta demonstrada uma fita dupla que pode ser duplicada; para isso, a solução deve ser aquecida para que a fita dupla torne-se simples (desnaturação). Após a fita dupla ser separada, são acrescidos à solução oligonucleotídeos1 (sequências iniciadoras ou primers) complementares das sequências que se deseja duplicar. Estes oligonucleotídeos irão se ligar às fitas desejadas (hibridização). Adicionam-se então, a enzima polimerase para que elas completem os nucleotídeos ausentes, formando assim duas novas fitas duplas.

• Restrição das sequências. Para restringir (cortar) sequências de DNA são utilizadas as enzimas de restrição, as quais são responsáveis por localizar sequências especificas de DNA e corta-la (FIGURA 2.7).

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Figura 2.7: Operação de restrição utilizando a enzima Sau3AI

• Ligação de sequências. Após uma operação de hibridização, alguns nucleotídeos não são ligados ao seu vizinho, isto é, a fita possui uma descontinuidade; para ser realizada esta ligação é utilizada a enzima ligasse. Esta operação permite obter uma fita unificada com todas as ligações realizadas com seus respectivos complementos.

• Separação de sequências por tamanho. A separação dos diferentes fragmentos de DNA pode ser realizada através da operação de eletroforese me gel. Eletroforese é o movimento de moléculas ordenadas num campo magnético. O DNA possui uma carga negativa, então quando ele é submetido a um campo magnético, ele tende a migrar em direção ao polo positivo. A taxa de migração de uma molécula, numa solução aquosa, depende da sua forma e da sua carga elétrica. Como o DNA tem a mesma carga por unidade de tamanho, ele migra a uma mesma velocidade numa solução aquosa. Entretanto, se a eletroforese for realizada em um gel (geralmente agarose e poliacrilamida ou uma combinação dos dois), a taxa de migração de uma molécula também passa a ser afetada pelo seu tamanho. Isto se deve ao fato de o gel ser uma “rede” densa de poros através da qual as moléculas podem passar. Portanto, pequenas moléculas migram mais rápido através do gel, o que torna possível a separação por tamanho (FIGURA 2.8).

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Figura 2.8: Operação de eletroforese em gel

• Separação de sequências por afinidade. Esta operação é utilizada para separar, em uma solução, sequências conhecidas. A separação é realizada através da complementaridade de Watson-Crick. Para separar uma sequência alvo, é criada a sua sequência complementar acrescida de um elemento magnético. Esta sequência complementar é adicionada à solução que deve estar desnaturada. Através da hibridização a sequência complementar irá se ligar a sequência alvo e então, coloca-se um imã próximo à solução que atrairá a sequência, separando-a das demais.

A motivação para o estudo da utilização de DNA para realizar computações, vem das vantagens que a mesma apresenta sobre a computação eletrônica. A seguir serão descritas algumas das vantagens da computação com DNA, em relação à computação eletrônica.

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