Si ritiene che il DNA ci salverà dai computer. Con i progressi nella sostituzione dei transistor al silicio, i computer DNA promettono di fornirci massicce architetture di calcolo parallelo attualmente non possibili. Ma ecco il trucco: i microcircuiti molecolari che sono stati inventati fino ad ora non hanno avuto alcuna flessibilità. Oggi, utilizzare il DNA per il calcolo è come "costruire un nuovo computer con un nuovo hardware per eseguire un singolo programma", afferma lo scienziato David Doty.
Doty, professore presso l'Università della California, Davis, e i suoi colleghi hanno deciso di scoprire cosa sarebbe servito per costruire un computer DNA che potesse effettivamente essere riprogrammato.
Computer DNA
In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Nature, Doty e colleghi dell'Università della California e Maynooth hanno dimostrato proprio questo. Hanno dimostrato che un semplice trigger può essere utilizzato per forzare lo stesso set di base di molecole di DNA a implementare molti algoritmi diversi. Sebbene questa ricerca sia ancora di natura esplorativa, in futuro potrebbero essere utilizzati algoritmi molecolari riprogrammabili per programmare robot DNA che hanno già somministrato farmaci alle cellule tumorali.
Nei computer elettronici come quello che usi per leggere questo articolo, i bit sono unità binarie di informazioni che dicono al computer cosa fare. Rappresentano lo stato fisico discreto dell'attrezzatura sottostante, solitamente in presenza o in assenza di corrente elettrica. Questi bit - o anche i segnali elettrici che li implementano - vengono trasmessi attraverso circuiti costituiti da porte che eseguono un'operazione su uno o più bit di ingresso e forniscono un bit come uscita.
Combinando questi semplici elementi costitutivi più e più volte, i computer possono eseguire programmi sorprendentemente complessi. L'idea alla base del DNA computing è sostituire i segnali elettrici con acidi nucleici - il silicio - con legami chimici e creare software biomolecolare. Secondo Eric Winfrey, informatico al Caltech e coautore del lavoro, gli algoritmi molecolari utilizzano la naturale capacità di elaborazione delle informazioni incorporata nel DNA, ma invece di dare il controllo alla natura, "il processo di crescita è controllato dai computer".
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Negli ultimi 20 anni, diversi esperimenti hanno utilizzato algoritmi molecolari per cose come giocare a tris o assemblare varie forme. In ciascuno di questi casi, le sequenze di DNA dovevano essere attentamente progettate per creare un particolare algoritmo che avrebbe generato la struttura del DNA. Ciò che è diverso in questo caso è che i ricercatori hanno sviluppato un sistema in cui gli stessi frammenti di DNA di base possono essere ordinati per creare algoritmi completamente diversi e, quindi, prodotti finali completamente diversi.
Questo processo inizia con l'origami del DNA, un metodo per piegare un lungo pezzo di DNA nella forma desiderata. Questo pezzo di DNA arrotolato funge da "seme" (seme), che avvia un trasportatore algoritmico, proprio come il caramello cresce gradualmente su un filo immerso in acqua zuccherata. Il seme rimane in gran parte lo stesso indipendentemente dall'algoritmo e le modifiche vengono apportate solo in poche piccole sequenze per ogni nuovo esperimento.
Dopo che gli scienziati hanno creato il seme, lo hanno aggiunto a una soluzione di altri 100 filamenti di DNA, frammenti di DNA. Questi frammenti, ciascuno costituito da una disposizione unica di 42 basi azotate (i quattro principali composti biologici che compongono il DNA), provengono da un'ampia raccolta di 355 frammenti di DNA creati dagli scienziati. Per creare un algoritmo diverso, gli scienziati devono scegliere un insieme diverso di frammenti di partenza. Un algoritmo molecolare che coinvolge la camminata casuale richiede diversi set di frammenti di DNA che l'algoritmo utilizza per contare. Quando questi pezzi di DNA si uniscono durante l'assemblaggio, formano un circuito che implementa l'algoritmo molecolare scelto sui bit di input forniti dal seme.
Usando questo sistema, gli scienziati hanno creato 21 diversi algoritmi in grado di eseguire compiti come riconoscere multipli di tre, scegliere un leader, generare schemi e contare fino a 63. Tutti questi algoritmi sono stati implementati utilizzando diverse combinazioni degli stessi 355 frammenti di DNA.
Ovviamente, scrivere codice facendo cadere frammenti di DNA in una provetta non funzionerà ancora, ma l'intera idea rappresenta un modello per future iterazioni di computer flessibili basati sul DNA. Se Doty, Winfrey e Woods ottengono ciò che vogliono, i programmatori molecolari di domani non penseranno nemmeno alla biomeccanica alla base dei loro programmi nello stesso modo in cui i programmatori moderni non hanno bisogno di capire la fisica dei transistor per scrivere un buon software.
I potenziali usi di questa tecnica di assemblaggio su nanoscala sono sbalorditivi, ma queste previsioni si basano sulla nostra comprensione relativamente limitata del mondo su nanoscala. Alan Turing non è stato in grado di prevedere l'emergere di Internet, quindi potrebbero esserci alcune applicazioni incomprensibili dell'informatica molecolare.
Ilya Khel
