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Trinta e nove cidades precisam de mais ADN do que a Terra

A researcher in a heavy coat stands in the aisle of a walk-in freezer, holding one small frosted tube up towards a cold overhead light, between towering steel racks of identical tubes.

Uma pesquisa de rotas por força bruta com uma cadeia de ADN por ordenação candidata necessita de meio grama de ADN para vinte cidades. Para trinta e nove, necessita de mais do que a massa da Terra.

1 gram 10²⁰ g 10⁴⁰ g mass of the Earth 0.53 g 10 cities 20 30 39
Uma cadeia de ADN por ordenação candidata, vinte bases por cidade. A escala vertical é logarítmica, pelo que cada linha de grelha identificada corresponde a 10²⁰ vezes a linha imediatamente abaixo. Vinte cidades representam meio grama. Trinta e nove pesam mais do que o planeta.

Em 1994, Leonard Adleman dissolveu um problema combinatório num tubo de ensaio. Codificou uma rede rodoviária de sete cidades sob a forma de cadeias curtas de ADN, deixou-as hibridar em todas as rotas que a rede permitia e, em seguida, filtrou a mistura até obter as rotas que visitavam cada cidade exatamente uma vez. A resposta precipitou a partir de um frasco. Foi necessária cerca de uma semana de trabalho laboratorial para resolver um problema que um estudante resolve no papel num minuto, e isso era completamente irrelevante: cerca de 10¹⁴ cadeias tinham experimentado, cada uma, uma rota em simultâneo, num volume que se podia segurar entre dois dedos.

A promessa era evidente e enorme. A pesquisa exponencial é difícil porque os candidatos explodem; ali estava uma máquina que examinava todos os candidatos de uma só vez. Trinta anos mais tarde, nada no seu bolso funciona a ADN, e a razão não é de engenharia. É aritmética que se pode fazer num envelope.

Contar as cadeias, depois pesá-las

O paralelismo molecular adquire-se uma molécula de cada vez. Cada candidato necessita da sua própria cadeia física, pelo que o ADN necessário é o número de candidatos multiplicado pela massa de uma cadeia.

O segundo fator é muito pequeno. O ADN de cadeia simples tem cerca de 330 gramas por mole de bases, pelo que, a vinte bases por cidade, uma cadeia para vinte cidades pesa aproximadamente 2 × 10⁻¹⁹ gramas. O primeiro fator é um fatorial, e a um fatorial é indiferente quão pequeno seja o segundo fator.

Vinte cidades: 0,53 gramas. Uma pitada de pó.

Trinta cidades: 8,7 × 10¹³ gramas. Isso são 87 milhões de toneladas, cerca de um quinto da massa combinada de todos os seres humanos vivos.

Trinta e nove cidades: mais do que a massa da Terra.

Dezanove cidades separam "uma pitada" de "o planeta", razão pela qual o DNA Computing Scale é um cursor deslizante em vez de um parágrafo. Avance uma cidade de cada vez e a escala comparável sobe de "menos de um grama", passando por quilogramas e toneladas, até "pelo menos uma massa da Terra". Ver isso acontecer produz um efeito que a leitura do expoente não consegue.

A objeção óbvia é que ninguém enumeraria todas as n! ordenações. Fixe-se a cidade de partida e recuse-se contar um percurso e a sua imagem especular separadamente, e a contagem divide-se por 2n. Faça-se isso: o ponto de transição passa de trinta e nove cidades para quarenta e uma. Esse é todo o benefício obtido de todo o grupo de simetria — duas cidades.

É isto que significa "o paralelismo não altera a classe de complexidade" quando tornado concreto. O tubo de Adleman proporcionou uma aceleração de cerca de 10¹⁴, o que é um número assombroso e, ainda assim, uma constante. Um fatorial engole 10¹⁴ e pede o prato seguinte. Duplicar o tubo rende uma fração de uma cidade.

O mesmo muro, atingido pelo outro lado

A biologia chegou primeiro a este argumento e utilizou-o para provar o ponto oposto.

Em 1969, Cyrus Levinthal perguntou de que modo uma proteína encontra a sua forma. Tome-se uma cadeia de cem resíduos e permita-se a cada junção apenas três orientações, uma estimativa largamente por defeito. Isso dá 3¹⁰⁰, cerca de 5 × 10⁴⁷ conformações. Deixe-se a cadeia experimentar uma a cada 10⁻¹³ segundos, sensivelmente uma vibração molecular e tão rápido quanto a física permite. Amostrá-las a todas levaria 1,6 × 10²⁷ anos: 10¹⁷ vezes a idade atual do universo.

As proteínas enovelam-se em milissegundos.

O paradoxo de Levinthal não é um enigma sobre enovelar-se rapidamente. É uma prova de que o enovelamento não é uma pesquisa. A paisagem de energia não é uma lotaria plana de conformações, mas sim um funil, e uma cadeia num funil nunca está a escolher entre 10⁴⁷ opções. Está a cair. Zwanzig, Szabo e Bagchi calcularam em 1992 quão pequena pode ser a inclinação do funil. Utilizaram um modelo simples e demonstraram que uma inclinação energética da ordem de alguns kT contra configurações localmente desfavoráveis é suficiente para reduzir o tempo de Levinthal para uma dimensão biologicamente razoável. Não um algoritmo engenhoso. Um declive.

Altere o número de resíduos e os estados por resíduo no Levinthal Paradox Explorer e veja com que violência o número resiste a tornar-se razoável. Reduzir os estados por resíduo de três para dois rende um fator de 10¹⁷·⁶ e ainda deixa uma cadeia de cem resíduos a necessitar de uma boa fração da idade do universo. A base vale um único pagamento; o expoente volta a cobrar por cada resíduo.

Agora coloque os dois argumentos lado a lado, porque se trata da mesma aritmética. Uma proteína não pode enumerar as suas conformações. Um tubo de ensaio não pode enumerar as suas rotas. A resposta da natureza foi parar de enumerar e construir uma paisagem que afunila. A resposta da computação com ADN foi enumerar ainda mais afincadamente, em paralelo, com mais moléculas, o que é precisamente o movimento que a contagem proíbe.

O que sobrevive

Nada disto faz da computação molecular um beco sem saída. Torna errado o argumento de venda, o que é algo diferente, e a proposta honesta é a melhor.

Comece-se pela energia. Landauer demonstrou em 1961 que apagar um bit de forma irreversível tem de dissipar pelo menos kT ln 2: à temperatura corporal, 3,0 × 10⁻²¹ joules. Trata-se de um limite mínimo imposto pela termodinâmica, não pelo fabrico. Uma hidrólise de ATP, a moeda que a biologia efetivamente gasta, liberta cerca de vinte kT: 8,6 × 10⁻²⁰ joules, ou 29 vezes o limite mínimo. Uma operação lógica num bom CMOS custa algo próximo de um femtojoule, o que representa 337 000 vezes o limite mínimo.

evento molecular ≈ 29 × kT ln 2   ·   lógica em silício ≈ 337 000 × kT ln 2

Quatro ordens de grandeza, e estão do lado desfavorável para o silício. Uma célula computa lentamente e quase no mínimo termodinâmico, a dezenas de kT de um limite mínimo que um transístor falha por centenas de milhares. Defina a temperatura e a energia por operação em Energy per Operation e a diferença torna-se difícil de ignorar.

Depois, o armazenamento. Codifiquem-se os dados nas bases em vez de nas rotas e a densidade que tornava a força bruta absurda torna-se todo o argumento de venda: cerca de 3 × 10²⁰ bytes por grama. Todos os filmes alguma vez estreados, em menos volume do que um cubo de açúcar, estáveis durante séculos no escuro e sem consumir energia em repouso. O DNA Data Storage inclui as sobrecargas reais — indexação, locais de ligação de iniciadores, os códigos que evitam sequências longas da mesma base — e a densidade sobrevive-lhes confortavelmente.

Assim, a exponencial que inviabiliza o ADN como motor de pesquisa é a mesma exponencial que faz dele um arquivo extraordinário. Pesquisar necessita de uma molécula por candidato, e os candidatos crescem fatorialmente. Arquivar necessita de uma molécula por dado, e os dados crescem linearmente. Química idêntica, densidade idêntica, veredictos opostos, e a única diferença é qual a quantidade que se pediu para escalar.

A estrutura do argumento

Quando algo lhe propuser paralelismo massivo, pergunte o que é que o paralelismo multiplica. Contra uma exponencial, não importa quão grande seja a constante: 10¹⁴ e 10²³ são o mesmo número quando o adversário é um fatorial. A experiência de Adleman foi uma demonstração magnificamente executada de um fator constante, e a área interpretou-a como um declive.

Levinthal fez a mesma contagem e tirou imediatamente a conclusão correta, porque não estava a vender nada: se a contagem é impossível, o mecanismo não é o que se supôs. O que restou quando a narrativa da pesquisa se desvaneceu — energia por evento quase ótima, densidade absurda por grama — é um trunfo genuinamente valioso, e ninguém teria olhado duas vezes para ele enquanto a história da pesquisa ainda estivesse sobre a mesa.