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Alcuni ricercatori sono riusciti a far girare degli algoritmi utilizzando come supporto fisico non computer, ma delle molecole di DNA. Lo studio dimostra le potenzialità ancora poco conosciute della computazione biologica
Con la diffusione e l’affermazione dell’elettronica ormai diamo per scontato che dietro ad un qualsiasi dispositivo ci sia un circuito elettrico in grado di elaborare le informazioni. Effettivamente fino ad adesso è stato così. Lo sviluppo della tecnologia a transistor ha permesso di sviluppare computer – nel senso più generale del termine, ovvero un qualsiasi dispositivo in grado di far girare un algoritmo – molto potenti, piccolissimi e veloci. Tuttavia questa potrebbe non essere l’unica strada percorribile, anche se per adesso è quella più trafficata.
Computer biologici: un nuovo modo di elaborare le informazioni
Non molto tempo fa un gruppo di ricercatori di Microsoft aveva dimostrato come fosse possibile immagazzinare dati all’interno di molecole di DNA artificiale e successivamente poterli prelevare attraverso la riproduzione dei processi che avvengono all’interno delle cellule degli esserei viventi. Che cos’è alla fin fine il DNA se non una grande memoria su cui sono codificate tutte le istruzione necessarie al funzionamento del nostro organismo e che cos’è la sintesi proteica se non il processore della vita che “esegue” le istruzioni memorizzata nel nostro codice genetico? Sembra molto più complesso rispetto ad un classico computer, mai il principio di base è molto simile: abbiamo dei mattoncini di base (i bit o le basi azotate) che vengono utilizzati per codificare informazione via, via più complesse (linguaggi di programmazione, sistemi operativi, programmi da una parte, proteine, tessuti e organi vitali dall’altra). Il vantaggio che la biologia ha tutt’ora sta proprio nella maggiore complessità ed efficienza che è riuscita a raggiungere. Vediamo di analizzare la situazione.
Un filamento di DNA visto al microscopio
I vantaggi delle biotecnologie…
Prima di tutto le dimensioni: le molecole biologiche sono piccolissime. Voi lettori potreste controbattere: ma se ormai i transistor vengono realizzati con una tecnologia di pochi nanometri, ormai le dimensioni dovrebbero essere comparabili. In effetti la dimensione delle spire delle molecole di DNA si aggira intorno ai 2 nm. Tuttavia c’è un aspetto fondamentale che non possiamo trascurare: la misura che identifica il processo produttivo identifica solamente la lunghezza del canale di gate del transistor, ovvero la dimensione più piccola del dispositivo. In realtà tutto il transistor è centinaia di volta più grande. Inoltre bisogna includere nel conto delle dimensioni la necessità di realizzare le connessioni elettriche in metallo. Insomma: per far funzionare un transistor serve molto più spazio di una singola molecola. Inoltre oggigiorno la tecnologia elettronica commerciale è quasi interamente planare e solo negli ultimi anni si è riusciti a impilare qualche strato di transistor, mente le molecole si sviluppano su 3 dimensioni. Tutti questi aspetti, sommati tra loro, giocano in favore della biologia: una memoria biologica realizzata di ricercatori di Harvard utilizzando la tecnica della CRISPR sono riusciti a memorizzare circa 700 TB di dati in un solo grammo di DNA, una densità incredibile!
Un altro aspetto interessante delle biotecnologie riguarda la capacità di elaborazione parallela: anche se oggi esistono soluzione di calcolo parallelo molto potenti come le schede video con migliaia di processori capaci di lavorare contemporaneamente, siamo molto distanti dalla capacità di elaborazione biologica del sistema nervoso che ha milioni di singole unità che lavorano in maniera indipendente.
Infine il grande vantaggio a livello energetico: l’elaborazione biologica consuma pochissima energia, basti pensare che la grande capacità di calcolo del nostro cervello consuma circa 20 W secondo le stime. Molto, molto meno di tanti dei nostri PC. Inoltre alcuni processi biochimici, diversi da quelli alla base del sistema nervoso, consumano ancor meno energia. Il distacco in questo frangente sarebbe davvero enorme allo stato attuale delle cose.
Transistor visto al microscopio elettronico: si nota che il canale di gate è molto più piccolo dell’intera struttura
… e gli svantaggi
Non è tutto oro quel che luccica. Veniamo alle problematiche. Perché l’elettronica ha conquistato l’economia mondiale mentre le tecnologie biologiche stentano ad uscire dai laboratori di ricerca delle università? Innanzi tutto sono difficili da manipolare. Manipolare un flusso di elettroni è molto semplice seguendo le leggi dell’elettromagnetismo e della meccanica quantistica. Manipolare la struttura delle molecole per inserirvi delle informazione è molto più difficile invece. Ad esempio la tecnica della CRISPR utilizzate per modificare il DNA è un processo molto complesso che uso di complesse strutture proteiche. In secondo luogo la logica binaria è molto più semplice da gestire rispetto all’enorme varietà di rappresentazione delle molecole organiche. Infine un dispositivo elettronico è molto resistente. I transistor sono innestati nei die e non si schiodano. Sono poco sensibili all’ambiente intorno – a parte le grosse variazioni di temperatura – e non interagiscono con le altre molecole presenti. Questo perché il mezzo utilizzato per scambiare informazioni sono gli elettroni e, a meno che non vi troviate sotto il flusso di un campo elettromagnetico molto intenso, il loro percorso rimarrà invariato. Le molecole biologiche invece sono molto delicate, lo testimonia il fatto che il nostro DNA è stipato all’interno del nucleo cellulare. La loro struttura complessa le rende fragile e molto sensibili all’ambiente esterno con cui interagiscono. Diventa quindi necessario utilizzarle solo in ambienti controllati come i laboratori e trattarle con adeguati strumenti.
Funzionamento della Crispr/Cas9: l’RNA guida la proteina Cas9 nel taglio selettivo
Anche se non sono arrivate le applicazioni commerciali su larga sala, la computazione biologica, come quella quantistica, sta avendo molti successi nei laboratori di ricerca di tutto il mondo. Forse con l’affermarsi dei servizi cloud non sarà più necessario che tutti abbiano un computer potente nelle proprie case o uffici perché tutto lo sforzo computazionale verrà scaricato ai server, i quali possono essere posti in ambiente controllato. Ecco perché i risultati di questa ricerca sono particolarmente interessanti.
Computer biologici: il DNA ancora una volta protagonista
L’interessante risultato è stato ottenuto dai ricercatori dell’Università della California a Davis, del California Institute of Technology (Caltech) e della irlandese Maynooth University e pubblicata sulla rivista Nature.
I ricercatori hanno sfruttato le proprietà di auto-assemblaggio delle molecole di DNA per codificare al loro interno le informazioni necessarie ad eseguire degli algoritmi, ottenendo un rudimentali computer biologico. La struttura ottenuta dai ricercatori è in grado di rappresentare informazioni con una precisione di 6 bit e riesce ad eseguire diversi algoritmi analoghi a quelli che stanno girando sui vostri PC e smartphone – in versioni semplificate ovviamente. David Doty, informatico dell’Università della California e tra gli autori dello studio afferma:
Siamo rimasti sorpresi dalla versatilità degli algoritmi che siamo riusciti a progettare, nonostante fossimo limitati da input a sei bit.
Il principio di base del funzionamento di questa computazione biologica è, come già anticipato, la capacità delle molecole di DNA di auto-assemblarsi. Molte molecole come il DNA sono infatti in grado di associarsi spontaneamente, a seconda delle condizioni ambientali, in nuove macrostrutture. I ricercatori hanno quindi creato uno strato di base per il computer biologico costituito da frammenti di molecole di DNA. Ogni frammento è composto da 42 basi azotate (adenina, citosina, guanina e timina) organizzate in 4 domini di 10-11 basi ciascuno. Ogni dominio è in grado di rappresentare uno 0 o un 1 in codice binario. In pratica ogni frammento può codificare 4 bit, due domini fungono da bit di input, gli altri due da bit di output. Ogni dominio può legarsi con altri domini di altri frammenti di DNA.
Processo di auto-assemblaggio delle molecole (fonte: Wikipedia)
La costruzione del “computer” biologico
Partendo da uno strato di input formato da 6 bit, sfruttando l’auto-assemblaggio delle molecole di DNA, il sistema è cresciuto aggiungendo nuove molecole. In base all’input di partenza e alle condizioni al contorno, si può controllare l’associazione spontanea di molecole realizzando di fatto un algoritmo che produce l’output. Essenzialmente la molecola di DNA cresce in maniera intelligente, realizzando le elaborazioni richieste per produrre l’output richiesto a partire dall’input. Per realizzare il programma che implementa l’algoritmo vanno mantenute specifiche condizioni ambientali che definiscono le regole di associazione delle molecole, basate sulle leggi della meccanica statistica e chimica molecolare, e fornire i domini corretti da associare a quelli di input.
Alla fine della catena di molecole che codifica l’algoritmo su trova il risultato, codificato dai domini illustrati poco fa. Si può leggere l’output utilizzando un microscopio elettronico che riconosce una etichetta molecolare attaccata alle molecole di DNA. Gli algoritmi implementati possono copiare, ordinare, riconoscere palindromi e multipli di 3, generare valori casuali, ottenere una scelta imparziale da una fonte casuale distorta, generare modelli deterministici e randomizzati, e contano fino a 63, con un tasso di errore globale per dominio inferiore a 1 su 3.000.
Si può notare il “computer” vero e proprio fatto di DNA, mentre in basso si vede l’immagine ottenuta con il microscopio che codifica uno specifico output. Sullo sfondo altri domini di vario genere. (fonte: Demin Liu and Damien Woods)
Lo scopo è quello di arrivare a produrre dei computer biologici programmabili ad alto livello, senza conoscere le complicate leggi della meccanica quantistica e chimica molecolare. In questo gli esperti di informatica potranno sfruttare le potenzialità della computazione biologica. Dalla sezione scienze è tutto! Continuate a seguirci per tante novità ed approfondimenti dal mondo naturale e tecnologico!
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