Um computador de DNA já faz cálculos reais. A Europa está a financiar o passo seguinte
Uma equipa da Maynooth University demonstrou dez programas moleculares e uma computação de 100 bits. O projeto europeu DISCO quer aumentar a escala da arquitetura, mas a tecnologia continua muito longe de substituir os chips.
Um computador não precisa necessariamente de ser uma placa coberta por chips.
Pode ser um tubo com líquido, moléculas de DNA e um conjunto de regras desenhadas para que a própria física ajude a encontrar a resposta.
Uma equipa ligada à Maynooth University, na Irlanda, demonstrou isso num trabalho publicado esta semana na Nature. O sistema chama-se Scaffolded DNA Computer, ou SDC, e foi testado em dez programas moleculares diferentes, incluindo multiplicação por três, divisão por dois, deteção de paridade e adição de números binários de 25 bits.
Não é um computador pessoal microscópico. Não tem CPU, RAM ou sistema operativo.
É uma arquitetura experimental em que moléculas de DNA representam informação e regras computacionais.
A diferença mais interessante está na forma como chega ao resultado: os investigadores tentaram desenhar o sistema para que a configuração correspondente à resposta correta seja também uma configuração molecular energeticamente favorável.
Um computador que deixa a física trabalhar
Nos computadores digitais convencionais, a lógica depende do controlo rigoroso de estados eletrónicos. Transístores mudam entre estados, sinais propagam-se através dos circuitos e diferentes mecanismos tentam impedir ou corrigir erros.
O computador molecular segue outra lógica.
Uma longa molécula de DNA funciona como uma estrutura-base, ou scaffold. Ao longo dessa molécula existem posições onde outras sequências de DNA, chamadas tiles, podem ligar-se.
Essas peças moleculares são desenhadas de forma a representar informação e as regras do programa.
As ligações são reversíveis. Se uma molécula ocupar uma posição de forma menos favorável, pode desprender-se e ser substituída por outra.
Ao longo do processo, o sistema tende para configurações energeticamente mais favoráveis. Os investigadores desenham essa “paisagem energética” para que o estado pretendido corresponda à solução do problema.
Em vez de controlar à força cada transição, parte da computação resulta das próprias propriedades físicas do sistema.
Dez programas e mais de 700 computações
A equipa demonstrou dez programas diferentes e realizou mais de 700 computações experimentais.
Entre os testes encontram-se operações relativamente simples, como copiar informação ou verificar a paridade de uma sequência, mas também multiplicação, divisão, reconhecimento de padrões, problemas em grafos e adição binária.
A experiência de maior dimensão incluiu a adição de dois números binários de 25 bits.
Os autores descrevem essa experiência como uma computação de 100 bits.
Isso não significa que tenha sido criado um “processador de 100 bits” comparável a uma CPU. A expressão refere-se à dimensão da computação molecular realizada no sistema experimental.
Nas experiências mais pequenas, algumas computações terminaram em menos de um minuto.
Quando a dimensão aumentou, porém, o tempo necessário também cresceu substancialmente. Algumas experiências maiores recorreram a processos de annealing com várias horas de duração.
Por isso, este sistema não é atualmente uma alternativa mais rápida a um processador convencional.
O que demonstra é outra coisa: moléculas podem ser organizadas de forma programável para executar cálculos reais.
O mesmo sistema pode voltar a calcular
Existe outra diferença importante.
Algumas arquiteturas de computação molecular funcionam praticamente como experiências descartáveis: ocorre uma reação, o sistema muda e é necessário preparar novamente os componentes.
Neste trabalho, os investigadores conseguiram reutilizar determinados programas com diferentes inputs.
Três dos sistemas foram repetidos respetivamente 9, 24 e 25 vezes.
A capacidade de alterar os dados e executar novamente a computação aproxima o conceito de uma plataforma reutilizável, em vez de uma única reação química programada.
Ainda não é um substituto para os chips
É aqui que é necessário separar a descoberta científica do que ainda é apenas uma possibilidade.
O trabalho demonstra um princípio de computação molecular. Não apresenta uma alternativa industrial pronta para CPUs, GPUs ou memórias de semicondutores.
À medida que as estruturas de DNA aumentam, surgem dificuldades.
Diferentes regiões podem apresentar energias de ligação diferentes, podem ocorrer interações moleculares não desejadas, o sinal degrada-se e os tempos de computação aumentam.
Também não foi demonstrado que todo o sistema consuma menos energia do que um computador eletrónico numa tarefa equivalente.
As experiências exigem síntese de DNA, reagentes, equipamento laboratorial, controlo de temperatura e sistemas de leitura.
A descoberta não significa, portanto, o fim dos semicondutores.
Mostra que é possível programar a matéria para realizar determinadas formas de computação usando as suas próprias propriedades físicas.
Do tubo de laboratório para uma máquina
Transformar esta demonstração num produto exigiria resolver uma cadeia muito maior de problemas.
O primeiro é a escala.
Seria necessário passar das atuais computações experimentais para sistemas muito maiores sem permitir que a taxa de erro, o tempo necessário ou o custo aumentassem demasiado.
Depois viria a automação.
Um computador molecular utilizável dificilmente dependeria de investigadores a preparar manualmente tubos e reagentes.
Uma plataforma futura poderia combinar DNA com microfluídica, controlo térmico, sensores ópticos, automação e eletrónica convencional.
O resultado seria provavelmente, pelo menos inicialmente, um sistema híbrido.
As moléculas realizariam determinadas operações, enquanto chips convencionais continuariam responsáveis por controlo, leitura, comunicações e interface com o utilizador.
Também seria necessário criar o equivalente a um compilador.
Em vez de um investigador desenhar manualmente as sequências moleculares de cada programa, uma plataforma industrial teria de aproximar-se de um processo como:
programa → compilador molecular → desenho das sequências → síntese → execução → leitura → resultado
Algumas destas ferramentas já estão a ser desenvolvidas.
O projeto europeu DISCO disponibilizou software relacionado com desenho de sequências, automação e simulação de sistemas moleculares.
Mas continuam por resolver problemas fundamentais de produção em escala, controlo de qualidade, velocidade, fiabilidade e custo por operação.
A Europa está a entrar antes de existir uma indústria
Esta investigação tem também uma dimensão europeia.
A Maynooth University coordena o projeto DISCO — DNA Infrastructure for Storage and Computation, financiado pelo European Innovation Council.
O programa decorre até setembro de 2028 e recebeu cerca de 3,99 milhões de euros de financiamento europeu.
O objetivo vai além de executar pequenos cálculos.
O DISCO procura desenvolver sistemas capazes de armazenar informação em DNA e realizar operações diretamente sobre esses dados.
O plano passa por aumentar progressivamente a dimensão dos sistemas moleculares e explorar estruturas bidimensionais de DNA capazes de combinar armazenamento e computação.
A universidade trabalha também com empresas europeias ligadas à automação laboratorial e à síntese de DNA.
Isso torna esta investigação especialmente interessante para a Europa.
Grande parte da política europeia para semicondutores procura reduzir dependências numa indústria onde as cadeias de produção, os líderes tecnológicos e os grandes fabricantes já estão estabelecidos.
Na computação molecular, essa indústria ainda não existe.
Se esta ou outras arquiteturas moleculares conseguirem algum dia tornar-se comercialmente relevantes, a Europa poderá ter uma oportunidade pouco habitual: participar na construção da cadeia tecnológica desde uma fase muito inicial.
Não é uma conclusão do estudo.
É uma possibilidade estratégica que dependeria da capacidade de transformar investigação em propriedade intelectual, equipamento, produção, software e empresas.
Porque importa
A descoberta não é importante apenas porque moléculas de DNA conseguem fazer contas. O princípio mostra uma arquitetura computacional diferente da eletrónica convencional, numa área em que ainda não existe uma indústria global dominante. Para a Europa, isso cria uma possibilidade estratégica: participar numa nova cadeia tecnológica desde o início, em vez de tentar recuperar atraso depois de o mercado já estar consolidado.
Uma nova cadeia tecnológica teria de ser construída
Possuir a investigação não seria suficiente.
Para que uma tecnologia destas contribuísse para reduzir dependências externas, seria necessário desenvolver grande parte da cadeia:
investigação, propriedade intelectual, síntese de DNA, reagentes, microfluídica, automação, sensores, software, equipamento e produção industrial.
Caso contrário, a Europa poderia apenas substituir uma dependência por outra.
O momento em que essa cadeia é construída também importa.
Quando uma tecnologia já possui fabricantes dominantes e cadeias de fornecimento consolidadas, recuperar atraso exige investimentos muito maiores.
Na computação molecular, essa consolidação ainda não aconteceu.
O primeiro mercado pode nem sequer ser um processador
Também é possível que o primeiro uso comercial relevante não seja substituir CPUs.
Uma das aplicações mais estudadas para o DNA é o armazenamento de informação.
O projeto DISCO combina deliberadamente storage e computation.
A ideia é conseguir armazenar informação num meio molecular e realizar determinadas operações nesse mesmo meio, evitando transferir permanentemente grandes volumes de dados entre armazenamento e processamento.
Outras aplicações poderão eventualmente surgir em nanotecnologia, biotecnologia e materiais programáveis.
São ainda áreas de investigação, não produtos comerciais.
O que mudou agora
O trabalho publicado na Nature não prova que o DNA vai substituir o silício.
Mostra algo mais fundamental.
Uma arquitetura molecular programável conseguiu executar diferentes programas físicos e chegar a resultados experimentais mensuráveis enquanto explora as próprias propriedades termodinâmicas do sistema.
Há problemas enormes de escala, velocidade, fiabilidade, custo e industrialização por resolver.
Mas a questão deixou de ser apenas teórica.
Já existe uma demonstração física e reutilizável de computação molecular baseada em DNA.
Agora começa a parte mais difícil: descobrir se esta ciência consegue transformar-se numa tecnologia.
E, para a Europa, se consegue também construir a indústria à sua volta.
O sinal para o futuro
A próxima corrida da computação pode não acontecer apenas dentro de um chip. Se sistemas moleculares conseguirem ganhar escala, poderão complementar arquiteturas eletrónicas em tarefas específicas. A questão para a Europa será saber se consegue transformar investigação científica em tecnologia e capacidade industrial antes de esse mercado existir.