Chip sequenciador decodifica DNA próton por próton

Um chip capaz de sequenciar um genoma inteiro.

A nova tecnologia foi apresentada pela empresa Ion Torrent, em um artigo de seus pesquisadores, publicado na revista Nature.

Lei de Moore para a genética

Além de três bactérias, o chip foi testado para sequenciar o genoma de um humano. Especificamente, de um humano chamado Gordon Moore, autor da famosa Lei de Moore, que estabelece que o número de transistores dentro de um chip dobra a cada 18 meses.
Nenhuma outra jogada de marketing conseguiria atrair tamanha atenção, mesmo com a importância de uma tecnologia de sequenciamento genético baseada em um chip.
A Ion Torrent afirma que sua tecnologia permitirá que o sequenciamento do genoma humano custe US$1.000,00 nos próximos dois anos.
Tudo baseado na Lei de Moore: se a capacidade do chip sequenciador seguir o mesmo ritmo dos microprocessadores, a empresa calcula que bastará uma única geração de melhorias para que o sequenciamento genômico fique ao alcance de qualquer bolso.
Hoje, o chip sequenciador já custa apenas US$99,00. Mas o equipamento completo para fazer o sequenciamento, chip incluído, custa cerca de US$50.000,00.
Quando a base coincide com o molde no nanofuro (em cima), é liberado um próton, e o sensor a registra diretamente no formato de digital. Caso contrário (embaixo), nenhum próton é liberado.
O fato é que a tecnologia baseada em semicondutor representa um avanço substancial em relação às atuais tecnologias de sequenciamento genético, ainda que não tenha atingido o mesmo nível de precisão das máquinas muito mais caras.
Os sequenciadores genéticos atuais usam detecção óptica. Uma fita única de DNA é convertida em uma fita dupla fazendo com que a segunda fita cresça base por base. Com o uso de marcadores, essas bases podem ser detectadas por tecnologia óptica, resultando na sequência genética.
O chip sequenciador é muito mais simples. Em vez dos reagentes para marcar as bases, o chip detecta uma elevação no pH que ocorre conforme cada nucleotídeo se junta à fita em crescimento e libera um próton (H+) no processo.
O chip contém uma malha de nanofuros, cada um contendo um modelo diferente de DNA, uma espécie de gabarito. Abaixo desses furos vem uma camada capaz de detectar os prótons e, abaixo, o sensor principal do chip. É por isto que a empresa afirma que seu chip lê o genoma próton por próton.
"Se um nucleotídeo, por exemplo um C, é adicionado a um dos gabaritos [nos nanofuros] e então incorporado à fita de DNA, será liberado um íon de hidrogênio. A carga do íon altera o pH da solução, o que pode ser detectado por nosso sensor de íons. Nosso sequenciador - essencialmente o menor peagâmetro de estado sólido do mundo - vai nomear a base, passando diretamente da informação química para a informação digital," explica a empresa.
Uma comparação bastante elucidativa pode ser feita com um sensor CCD de uma câmera digital. Enquanto o CCD capta fótons para registrar as imagens, o sensor do chip sequenciador de DNA "capta uma reação química". Como o nucleotídeo já está identificado, a informação do genoma é registrada diretamente em formato digital.

Há outras técnicas de sequenciamento genômico mais futurísticas, ainda em fase de desenvolvimento, como o sequenciamento eletrônico do DNA.
Cada nanofuro contém uma gota de polímero com uma fita única de DNA, onde cada nucleotídeo é identificado. [Imagem: Ion Torrent]Maior resolução
Outros pesquisadores, não envolvidos no desenvolvimento do chip sequenciador, afirmam que sua precisão ainda deixa a desejar.
A empresa parece saber bem disso, e demonstra esperar o concurso da Lei de Moore para resolver o problema: ocorre que, grosso modo, a densidade dos nanofuros, onde ficam as fitas individuais de DNA que servem de modelo, define a precisão da medição - quanto mais nanofuros, maior será a precisão.
Continuando com a analogia com o sensor de uma máquina digital, é como se o sequenciamento de DNA mais preciso dependesse agora de alguns "megapixels" a mais - na verdade, de um adensamento da malha de nanofuros e das respectivas fitas-modelo de DNA.
Agora é só esperar para ver se a Lei de Moore aplica-se também ao mundo da biologia.
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=chip-sequenciador-dna&id=010150110722

Neuro-robótica leva comportamentos humanos aos robôs

Visão e percepção robóticas


Depois de três anos de trabalho, pesquisadores do projeto europeu EYESHOTS apresentaram os resultados de um estudo cujo objetivo era reproduzir em robôs comportamentos humanos, como a visão e a percepção espacial.
Graças aos progressos no controle da interação entre visão e movimento, os pesquisadores desenvolveram um avançado sistema de visão tridimensional, sincronizado com braços robóticos.
O protótipo mostrou ser possível dar aos robôs a capacidade para observar e ficarem atentos ao que acontece ao seu redor.
Além disso, as imagens capturadas são mantidas na memória, podendo ser utilizadas em suas ações futuras.
A equipe de Ángel del Pobil Pasqual, da Universidade Jaume I, na Espanha, ficou responsável pela validação dos resultados do projeto, usando um robô construído na Universidade de Castellón, constituído de uma cabeça de robô com olhos móveis integrados em um tronco com braços articulados.

Inspiração humana

Os modelos de computador usados para controlar o robô partiram do conhecimento da biologia humana e animal, fruto de um trabalho multidisciplinar que incluiu especialistas em neurociência, psicologia, robótica e engenharia.
O estudo começou com o registro dos neurônios do córtex visuo-motor de macacos, que possuem uma percepção do ambiente similar à dos seres humanos.
A primeira característica do sistema visual dos primatas replicado artificialmente foi o chamado movimento sacádico dos olhos, que está relacionado com a alteração dinâmica da atenção.

"Estamos constantemente mudando o ponto de vista através de movimentos oculares muito rápidos, tão rápidos que dificilmente ficamos conscientes deles," explica o Dr. Pasqual. "Quando os olhos estão se movendo, a imagem fica desfocada e não podemos ver claramente. O cérebro deve integrar os fragmentos de imagens como se fossem peças de um quebra-cabeça, para dar a impressão de uma imagem contínua e perfeita do nosso entorno."

"Nossos resultados poderão ser aplicados a qualquer tipo de robô humanoide que seja capaz de mover seus olhos e se concentrar em um ponto."Partindo dos dados neurais, os pesquisadores desenvolveram modelos computadorizados da seção do cérebro que integra as imagens com os movimentos dos dois olhos e dos braços.
Essa integração é muito diferente daquilo que normalmente é feito por engenheiros e especialistas em robótica - é uma espécie de neuro-robótica.
O grupo queria provar que, quando fazemos um movimento para agarrar um objeto, o nosso cérebro não precisa calcular previamente as coordenadas desse movimento.
"A verdade é que a sequência é muito mais simples: os nossos olhos olham para um ponto e dizem ao nosso braço onde ir. Os bebês aprendem isto progressivamente conectando neurônios," explica o pesquisador.
Assim, o próximo passo foi simular também esses mecanismos de aprendizagem, usando uma rede neural que permite aos robôs aprenderem como olhar, como construir uma representação do ambiente, como preservar as imagens apropriadas, e como usar sua memória para alcançar os objetos, ainda que estes estejam fora do alcance dos seus olhos naquele momento.

Passo importante

Os resultados preliminares foram encorajadores, dentro dos parâmetros dos programas de teste.

"Nossos resultados poderão ser aplicados a qualquer tipo de robô humanoide que seja capaz de mover seus olhos e se concentrar em um ponto. Essas são questões prioritárias para que os outros mecanismos possam funcionar corretamente", ressalta o pesquisador.
Para que um robô humanoide interaja com sucesso com o seu ambiente e desenvolva tarefas sem supervisão, contudo, será necessário primeiro aperfeiçoar esses mecanismos básicos, que ainda não estão completamente resolvidos, alerta o pesquisador.
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=neuro-robotica-comportamentos-humanos-robos&id=010180110607

Brasil avança 21 posições no ranking de inovação

Desce e sobe


O Brasil subiu 21 posições no Indicador Global de Inovação 2011 (The Global Innovation Index).
O ranking é calculado anualmente pelo Insead, uma das principais escolas de negócios da Europa, em parceria com a Organização Mundial de Propriedade Intelectual (Wipo, na sigla em inglês), agência ligada à Organização das Nações Unidas (ONU).
Se parece bom, é importante lembrar que o país havia caído 18 posições em 2010.
Os novos dados colocam o Brasil na 47º posição em termos globais.
Assim, nos anos recentes, o país passou de 50º (2009) para 68º (2010) e, agora, para 47º (2011).
Com o novo resultado, o Brasil ficou na frente de países como a Rússia, Índia e Argentina.

Prós e contras

O relatório destaca a posição paradoxal do Brasil, muito bem colocado no chamado Output SubIndex (32ª posição), liderando todos os países em desenvolvimento, e muito mal colocado no chamado Input SubIndex (68ª posição).
No lado positivo, estão itens como aumento da produtividade da mão-de-obra, exportações de serviços de computação e comunicações e exportação de serviços criativos.
Mas os maiores destaques estão nos gastos em pesquisa e desenvolvimento em relação ao PIB (24ª), pegada ecológica e biocapacidade (7ª), capitalização do mercado (23ª), valor total de ações comercializadas (27ª), empresas que oferecem treinamento formal (13ª) e importação de bens de alta tecnologia (15ª).

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=brasil-posicao-ranking-inovacao&id=030175110701

Processadores magnéticos atingirão limite físico da eficiência



 Processadores magnéticos poderão usar milhões de vezes menos energia do que os chips de silício de hoje.

Em teoria, os microprocessadores magnéticos poderão consumir a menor quantidade de energia permitida pelas leis da física.
É o que garantem pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, nos Estados Unidos.

Processadores magnéticos

Os microprocessadores de hoje, baseados em silício, usam correntes elétricas, ou elétrons em movimento, que liberam uma grande quantidade de calor, ou energia desperdiçada.
Mas microprocessadores que empreguem barras magnéticas de tamanho nanométrico para a memória, a lógica e as operações de chaveamento, teoricamente não necessitariam de elétrons em movimento.
Esses chips dissipariam apenas 18 milielétron-volts de energia por operação a temperatura ambiente, o mínimo permitido pela chamada Segunda Lei da Termodinâmica.
Esse mínimo também é chamado de limite de Landauer e representa 1 milhão de vezes menos energia por operação do que o consumido pelos computadores de hoje.

Computação com ímãs

"Hoje, os computadores consomem eletricidade. Movendo elétrons ao redor de um circuito, você pode processar informação," começa Brian Lambson, um dos autores do novo estudo.
"Um computador magnético, por outro lado, não envolve nenhum elétron em movimento. Você armazena e processa informações utilizando ímãs, e se você construir estes ímãs suficientemente pequenos, você pode basicamente colocá-los tão próximos entre si que eles interagirão uns com os outros. É assim que se poderá fazer cálculos, ter memória e realizar todas as funções de um computador," prossegue ele.
Lambson está trabalhando para desenvolver esses computadores magnéticos com Jeffrey Bokor e David Carlton.
"Em princípio, pode-se, penso eu, construir circuitos reais que funcionem exatamente no limite de Landauer," afirma Bokor. "Mesmo se pudéssemos começar dentro de uma ordem de grandeza, um fator de 10, do limite de Landauer, isso representaria uma enorme redução no consumo de energia para a eletrônica. Seria absolutamente revolucionário."

Termodinâmica da computação

Cinquenta anos atrás, Rolf Landauer utilizou a nascente teoria da informação para calcular a energia mínima dissipada por uma operação lógica - como uma operação AND ou OR - dada a limitação imposta pela Segunda Lei da Termodinâmica.
Em uma porta lógica padrão, com duas entradas e uma saída, uma operação AND produz uma saída quando há duas entradas positivas, enquanto uma operação OR produz uma saída quando uma ou ambas as entradas são positivas.
A lei da termodinâmica estabelece que um processo irreversível - uma operação lógica ou o apagamento de um bit de informação - dissipa uma energia que não pode ser recuperada.
Em outras palavras, a entropia de qualquer sistema fechado não pode diminuir.
Uma das resultantes dos cálculos de Landauer estabelece que uma operação de deletar dados pode resfriar os computadores.
Na imagem de contraste magnético, os pontos brilhantes são nanomagnetos com seus pólos norte apontando para baixo (representados pela barra vermelha abaixo) e as manchas escuras são nanomagnetos com o norte apontando para cima (azul). Os seis nanomagnetos formam uma porta lógica. [Imagem: Jeffrey Bokor Lab]Lógica e memória magnéticas
Nos transistores e microprocessadores de hoje, esse limite está muito abaixo de outras perdas de energia que geram calor, principalmente através da resistência elétrica dos elétrons em movimento.
No entanto, os pesquisadores estão tentando desenvolver computadores que não dependam da movimentação dos elétrons e, portanto, poderiam se aproximar do limite de Landauer.
Lambson decidiu testar teórica e experimentalmente a eficiência energética limitante de um circuito simples de lógica magnética e memória magnética.
Os nanomagnetos que a equipe usou para construir a memória magnética e os dispositivos de lógica têm cerca de 100 nanômetros de largura e cerca de 200 nanômetros de comprimento.
Como eles têm a mesma polaridade norte-sul que uma barra de ímã, a orientação para cima ou para baixo dos pólos magnéticos pode ser usada para representar o 0 e 1 binários da memória de um computador.
Além disso, quando múltiplos nanomagnetos são reunidos, os seus pólos norte e sul interagem pela ação de forças dipolo-dipolo para apresentar o comportamento de um transístor a, permitindo a execução de operações lógicas simples.
"Os próprios ímãs fazem o papel de memória," diz Lambson. "O verdadeiro desafio é conseguir fazer os fios e transistores funcionarem."

Limite de Landauer

Lambson demonstrou através de cálculos e simulações de computador que uma única operação de memória - apagar um bit magnético, uma operação chamada de "retornar para um" - pode ser realizada com uma dissipação de energia muito próxima, se não idêntica, ao limite de Landauer.
A seguir, ele analisou uma operação lógica magnética simples.
A primeira demonstração bem-sucedida de uma operação lógica utilizando nanopartículas magnéticas foi obtida por pesquisadores da Universidade de Notre Dame, em 2006.
Naquela ocasião, eles construíram uma porta lógica de três entradas usando 16 nanomagnetos acoplados. Lambson calculou que esse circuito também dissipa energia no limite de Landauer.


http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=processadores-magneticos&id=010850110704