Células-tronco processam informações genéticas no corpo humano com confiabilidade excepcional e muito rapidamente. Para isso, elas acessam seções específicas do DNA no núcleo celular. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) investigaram como funciona o processamento de informações baseado em DNA. Seus resultados mostram que esse processo é comparável a eventos em computadores modernos e, portanto, poderia servir como modelo para novos chips de computador baseados em DNA. Publicado em "Annals of the New York Academy of Sciences". (DOI: 10.1111/nyas.15415)
Em células humanas, cerca de 20.000 genes estão localizados em um filamento de DNA de dois metros de comprimento – finamente enrolado em um núcleo celular de aproximadamente dez micrômetros. Para comparação: isso equivale a um fio de 40 quilômetros de comprimento, compactado em uma bola de futebol. Apesar desse espaço restrito, as células-tronco conseguem encontrar e ativar os genes corretos em minutos. Quais são eles varia de célula para célula. Uma ativação precisa é crucial, pois erros na seleção de genes podem levar a doenças ou à morte celular.
As investigações dos pesquisadores do KIT mostraram que os condensados biomoleculares permitem a ativação rápida e, ainda assim, confiável dos genes corretos. "Condensados biomoleculares são gotículas minúsculas que se formam em locais específicos do DNA – semelhante às gotas no espelho do banheiro após um banho quente – e se comportam como óleo em água", explica o Professor Lennart Hilbert, do Instituto de Sistemas Biológicos e Químicos (IBCS) do KIT. "Eles contêm máquinas moleculares, ou seja, um conjunto de moléculas específicas necessárias para a ativação de genes." Esse processo lembra um princípio central da ciência da computação que fundamenta computadores e smartphones modernos: a arquitetura de Von Neumann. Nessa arquitetura, um único processador pode acessar muito rapidamente um único endereço em uma grande memória, frequentemente chamada de RAM. Os pesquisadores agora querem transferir esse princípio para chips de computador artificiais baseados em DNA, a fim de controlar, por exemplo, aplicações biotecnológicas e biomédicas.
Superfícies que calculam
"Para replicar tais condensados biomoleculares, ou seja, os centros de processamento dos núcleos celulares, e construir nanoestruturas de DNA artificiais para chips de computador, combinamos experimentos de laboratório tradicionais com simulações de computador modernas. Com a ajuda de modelos digitais das nanoestruturas de DNA, podemos entender e até prever o comportamento dos condensados", diz Mona Wellhäusser, doutoranda no IBCS e uma das coautoras do estudo.
Para isso, os cientistas simulam digitalmente um sistema em que as enzimas funcionam como pequenas máquinas, realizando tarefas específicas, como fazer cálculos. Para levar essas enzimas ao local correto no DNA, eles usam a condensação de superfície. As enzimas se anexam a locais específicos do DNA por conta própria – exatamente onde são necessárias. Se candidatos que se comportam corretamente são identificados na simulação, eles são sintetizados em laboratório e suas propriedades reais são investigadas em um tubo de ensaio. “Isso acelera enormemente o processo de pesquisa, pois as simulações computacionais levam muito menos tempo do que os experimentos de laboratório”, diz Hilbert. “Até agora, só conseguíamos acessar um endereço. Mas com nossa pesquisa, estamos abrindo caminho para o desenvolvimento de um sistema de endereçamento mais abrangente e de sistemas de armazenamento e computação totalmente novos baseados em DNA, cuja arquitetura é inspirada na natureza.”
A vacina de mRNA contra o coronavírus e uma terapia gênica recente e bem-sucedida, individualizada e “programada” para o paciente, já demonstraram o potencial das biotecnologias que podem ser programadas via DNA e RNA, segundo os cientistas. Outra área de aplicação promissora são os “chips de DNA” para o controle inteligente de terapias contra o câncer. Eles poderiam reprogramar as células imunológicas para que se ativem assim que encontrarem células cancerígenas.
Publicação original
Lennart Hilbert, Aaron Gadzekpo, Simon Lo Vecchio, Mona Wellhäusser, Xenia Tschurikow, Roshan Prizak, Barbara Becker, Sandra Burghart, Ewa Anna Oprzeska-Zingrebe: Condensados associados à cromatina como inspiração para a arquitetura de sistemas de futuros computadores de DNA. Annals of the New York Academy of Sciences, 2025. DOI: 10.1111/nyas.15415
