Musa dos engenheiros: O design de sistemas bioquímicos
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| Cientistas bioengenheiros e uma estrutura similar ao DNA (Imagem gerada por IA - Razzmama em NightCafé Studio) |
por Fazale Rana
13 de julho de 2015
A identidade da mulher na pintura mais famosa de Johannes Vermeer, Moça com o Brinco de Pérola, não é clara, mas é certo que sua beleza inspirou Vermeer na tentativa de capturar seu magnetismo. Todos os artistas, músicos e escritores têm sua musa — pessoas, lugares ou coisas tão significativas que instigam explosões de criatividade.
Pode parecer estranho pensar que cientistas e engenheiros tenham musas, mas eles têm. Algumas de suas fontes mais importantes de inspiração são os sistemas biológicos. Cientistas e engenheiros recorrem aos projetos de sistemas biológicos para obter as compreensões necessárias para resolver problemas de engenharia e desenvolver novas tecnologias. De fato, essa atividade deu origem a duas das áreas mais promissoras da tecnologia atualmente: biomimética e bioinspiração.
Como os nomes indicam, a biomimética envolve a cópia "direta" (ou mimetismo) de designs da biologia, enquanto a bioinspiração se baseia em revelações da biologia para orientar o empreendimento de engenharia. O trabalho em biomimética e bioinspiração tem implicações interessantes para o argumento do design. A capacidade de inspirar esforços de engenharia destaca os designs elegantes e sofisticados dos sistemas biológicos e, ao mesmo tempo, levanta uma questão preocupante para o paradigma evolucionário — como ilustram duas descobertas recentes.
Primeiro Polímero Sintético a Abrigar Informações Digitais
Engenheiros de computação enfrentam o desafio da capacidade relativamente limitada de armazenamento de dados das tecnologias de fita magnética e disco rígido. Para superar essa limitação, engenheiros exploraram o uso do DNA como meio de armazenamento de dados. [1] Essa biomolécula serve como meio universal de armazenamento de informações em biologia, e as informações armazenadas no DNA são de natureza digital, codificadas em sua sequência de nucleotídeos.
Embora os estudos de prova de princípio tenham se mostrado bem-sucedidos, existem alguns obstáculos técnicos significativos. A síntese de DNA em laboratório é desafiadora, e a leitura dos dados codificados no DNA é um processo lento e demorado.
Os desafios associados ao armazenamento de DNA levaram pesquisadores franceses a projetar e sintetizar o primeiro polímero sintético capaz de armazenar informações digitais. [2] Este polímero é estruturalmente mais simples que o DNA, facilitando sua síntese em laboratório. Os pesquisadores também projetaram o polímero para que as informações nele contidas pudessem ser lidas rapidamente por meio de instrumentos analíticos sofisticados. Eles até projetaram especialmente a ligação entre as diferentes subunidades digitais para que fosse facilmente clivada, permitindo assim que os dados armazenados nos polímeros fossem "apagados".
Embora esse polímero pareça ser mais adequado para armazenamento de dados em um contexto não biológico do que o DNA, é importante ter em mente que a estrutura e as propriedades do DNA inspiraram o design dessa macromolécula.
Bombas de Proteína Inspiram Nanobombas Artificiais
A nanociência e a nanotecnologia estão entre as áreas mais promissoras e potencialmente revolucionárias da engenharia atualmente. Esses empreendimentos envolvem a manipulação da matéria em nível atômico e molecular para construir dispositivos em nanoescala. Com dimensões inferiores a 1.000 nanômetros (1 bilhão de nanômetros equivale a 1 metro), os nanodispositivos têm aplicações potenciais na manufatura, na eletrônica e na medicina.
No entanto, gerar movimento coordenado em nanodispositivos apresenta um grande obstáculo. Pesquisadores têm explorado diversas soluções possíveis, incluindo tentativas de projetar motores moleculares em nanoescala. Recentemente, pesquisadores da Northwestern University fizeram avanços significativos nesse sentido ao projetar uma bomba molecular capaz de transportar materiais em um gradiente de energia, de baixas concentrações para altas concentrações. [3] O projeto dessa bomba molecular, que se baseia em um mecanismo de catraca browniano, foi inspirado nas bombas de proteínas encontradas no interior das células. De acordo com um dos membros da equipe, "tal bomba seria diretamente inspirada pelas máquinas moleculares da natureza, especialmente pelas proteínas transportadoras". [4]
Bioinspiração, Evolução e Design Inteligente
O uso de projetos biológicos para orientar os esforços de engenharia parece fundamentalmente incompatível com uma explicação evolucionária para a origem e a história da vida. De modo geral, os biólogos evolucionistas veem os sistemas biológicos e bioquímicos como o resultado de um processo não guiado e historicamente contingente que coopta projetos preexistentes para construir novos sistemas. Uma vez que esses projetos estejam em vigor, mecanismos evolucionários podem otimizá-los, mas mesmo assim eles permanecem improvisados — em sua essência. Sob essa luz, parece que os sistemas biológicos são uma musa pouco confiável. Faz sentido para os engenheiros confiarem em sistemas biológicos de origem duvidosa para resolver problemas e inspirar novas tecnologias, muito menos construir uma subdisciplina inteira da engenharia em torno da imitação de projetos biológicos?
Por outro lado, a biomimética e a bioinspiração fluem naturalmente de uma abordagem de modelo de criação para a biologia. Usar os designs da natureza para inspirar a engenharia faz mais sentido se esses designs surgirem de uma Mente.
Notas de Fim
13 de julho de 2015
A identidade da mulher na pintura mais famosa de Johannes Vermeer, Moça com o Brinco de Pérola, não é clara, mas é certo que sua beleza inspirou Vermeer na tentativa de capturar seu magnetismo. Todos os artistas, músicos e escritores têm sua musa — pessoas, lugares ou coisas tão significativas que instigam explosões de criatividade.
Pode parecer estranho pensar que cientistas e engenheiros tenham musas, mas eles têm. Algumas de suas fontes mais importantes de inspiração são os sistemas biológicos. Cientistas e engenheiros recorrem aos projetos de sistemas biológicos para obter as compreensões necessárias para resolver problemas de engenharia e desenvolver novas tecnologias. De fato, essa atividade deu origem a duas das áreas mais promissoras da tecnologia atualmente: biomimética e bioinspiração.
Como os nomes indicam, a biomimética envolve a cópia "direta" (ou mimetismo) de designs da biologia, enquanto a bioinspiração se baseia em revelações da biologia para orientar o empreendimento de engenharia. O trabalho em biomimética e bioinspiração tem implicações interessantes para o argumento do design. A capacidade de inspirar esforços de engenharia destaca os designs elegantes e sofisticados dos sistemas biológicos e, ao mesmo tempo, levanta uma questão preocupante para o paradigma evolucionário — como ilustram duas descobertas recentes.
Primeiro Polímero Sintético a Abrigar Informações Digitais
Engenheiros de computação enfrentam o desafio da capacidade relativamente limitada de armazenamento de dados das tecnologias de fita magnética e disco rígido. Para superar essa limitação, engenheiros exploraram o uso do DNA como meio de armazenamento de dados. [1] Essa biomolécula serve como meio universal de armazenamento de informações em biologia, e as informações armazenadas no DNA são de natureza digital, codificadas em sua sequência de nucleotídeos.
Embora os estudos de prova de princípio tenham se mostrado bem-sucedidos, existem alguns obstáculos técnicos significativos. A síntese de DNA em laboratório é desafiadora, e a leitura dos dados codificados no DNA é um processo lento e demorado.
Os desafios associados ao armazenamento de DNA levaram pesquisadores franceses a projetar e sintetizar o primeiro polímero sintético capaz de armazenar informações digitais. [2] Este polímero é estruturalmente mais simples que o DNA, facilitando sua síntese em laboratório. Os pesquisadores também projetaram o polímero para que as informações nele contidas pudessem ser lidas rapidamente por meio de instrumentos analíticos sofisticados. Eles até projetaram especialmente a ligação entre as diferentes subunidades digitais para que fosse facilmente clivada, permitindo assim que os dados armazenados nos polímeros fossem "apagados".
Embora esse polímero pareça ser mais adequado para armazenamento de dados em um contexto não biológico do que o DNA, é importante ter em mente que a estrutura e as propriedades do DNA inspiraram o design dessa macromolécula.
Bombas de Proteína Inspiram Nanobombas Artificiais
A nanociência e a nanotecnologia estão entre as áreas mais promissoras e potencialmente revolucionárias da engenharia atualmente. Esses empreendimentos envolvem a manipulação da matéria em nível atômico e molecular para construir dispositivos em nanoescala. Com dimensões inferiores a 1.000 nanômetros (1 bilhão de nanômetros equivale a 1 metro), os nanodispositivos têm aplicações potenciais na manufatura, na eletrônica e na medicina.
No entanto, gerar movimento coordenado em nanodispositivos apresenta um grande obstáculo. Pesquisadores têm explorado diversas soluções possíveis, incluindo tentativas de projetar motores moleculares em nanoescala. Recentemente, pesquisadores da Northwestern University fizeram avanços significativos nesse sentido ao projetar uma bomba molecular capaz de transportar materiais em um gradiente de energia, de baixas concentrações para altas concentrações. [3] O projeto dessa bomba molecular, que se baseia em um mecanismo de catraca browniano, foi inspirado nas bombas de proteínas encontradas no interior das células. De acordo com um dos membros da equipe, "tal bomba seria diretamente inspirada pelas máquinas moleculares da natureza, especialmente pelas proteínas transportadoras". [4]
Bioinspiração, Evolução e Design Inteligente
O uso de projetos biológicos para orientar os esforços de engenharia parece fundamentalmente incompatível com uma explicação evolucionária para a origem e a história da vida. De modo geral, os biólogos evolucionistas veem os sistemas biológicos e bioquímicos como o resultado de um processo não guiado e historicamente contingente que coopta projetos preexistentes para construir novos sistemas. Uma vez que esses projetos estejam em vigor, mecanismos evolucionários podem otimizá-los, mas mesmo assim eles permanecem improvisados — em sua essência. Sob essa luz, parece que os sistemas biológicos são uma musa pouco confiável. Faz sentido para os engenheiros confiarem em sistemas biológicos de origem duvidosa para resolver problemas e inspirar novas tecnologias, muito menos construir uma subdisciplina inteira da engenharia em torno da imitação de projetos biológicos?
Por outro lado, a biomimética e a bioinspiração fluem naturalmente de uma abordagem de modelo de criação para a biologia. Usar os designs da natureza para inspirar a engenharia faz mais sentido se esses designs surgirem de uma Mente.
Notas de Fim
- O uso do DNA como meio de armazenamento tem profundas implicações apologéticas, apontando para o papel do Criador em trazer a vida à existência. Para saber o porquê, confira este artigo: “Cientistas de Harvard escrevem livro sobre design inteligente – no DNA”.
- Raj Kumar Roy et al., “Design and Synthesis of Digitally Encoded Polymers that Can Be Decoded and Erased”, Nature Communications 6 (maio de 2015): id. 7237, doi: 10.1038/ncomms8237.
- Chuyang Cheng et al., “An Artificial Molecular Pump”, Nature Nanotechnology 10 (maio de 2015): 547–53, doi:10.1038/nnano.2015.96.
- Belle Dumé, “Nanomachine Pumps Molecules ‘Uphill’”, Physics World, posta em 22 de maio de 2015, https://physicsworld.com/cws/article/news/2015/may/22/nanomachine-pumps-molecules-uphill.
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Traduzido de Engineers’ Muse: The Design of Biochemical Systems (RTB)
Etiquetas:
bioquímica - bioengenharia - argumento do relojoeiro - design dos sistemas vivos - maravilha da Criação de Deus, divina - designs da natureza
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