Il DNA dovrebbe salvarci dalla routine informatica. Con i progressi del silicio che si stanno esaurendo, i computer basati sul DNA hanno la promessa di massicce architetture di calcolo parallelo che oggi sono impossibili.

Ma c’è un problema: i circuiti molecolari costruiti finora non hanno alcuna flessibilità. Oggi, usare il DNA per calcolare è “come dover costruire un nuovo computer con un nuovo hardware solo per eseguire un nuovo pezzo di software”, dice l’informatico David Doty. Così Doty, professore alla UC Davis, e i suoi colleghi hanno deciso di vedere cosa ci sarebbe voluto per implementare un computer a DNA che fosse effettivamente riprogrammabile.

Come dettagliato in un documento pubblicato questa settimana su Nature, Doty e i suoi colleghi del Caltech e della Maynooth University hanno dimostrato proprio questo. Hanno dimostrato che è possibile utilizzare un semplice trigger per convincere lo stesso set di base di molecole di DNA a implementare numerosi algoritmi diversi. Anche se questa ricerca è ancora esplorativa, gli algoritmi molecolari riprogrammabili potrebbero essere utilizzati in futuro per programmare robot di DNA, che hanno già consegnato con successo farmaci alle cellule cancerose.

“Questo è uno dei documenti di riferimento nel campo”, dice Thorsten-Lars Schmidt, un assistente professore di biofisica sperimentale alla Kent State University che non era coinvolto nella ricerca. “C’è stato l’auto-assemblaggio algoritmico prima, ma non a questo grado di complessità.”

Nei computer elettronici come quello che stai usando per leggere questo articolo, i bit sono le unità binarie di informazioni che dicono al computer cosa fare. Rappresentano lo stato fisico discreto dell’hardware sottostante, di solito la presenza o l’assenza di una corrente elettrica. Questi bit, o piuttosto i segnali elettrici che li implementano, vengono fatti passare attraverso circuiti costituiti da porte logiche, che eseguono un’operazione su uno o più bit in ingresso e producono un bit in uscita.

Combinando questi semplici blocchi di costruzione più e più volte, i computer sono in grado di eseguire programmi notevolmente sofisticati. L’idea alla base del DNA computing è di sostituire i legami chimici ai segnali elettrici e gli acidi nucleici al silicio per creare un software biomolecolare. Secondo Erik Winfree, uno scienziato informatico del Caltech e co-autore dell’articolo, gli algoritmi molecolari sfruttano la naturale capacità di elaborazione delle informazioni incorporata nel DNA, ma piuttosto che lasciare che la natura prenda le redini, dice, “la computazione controlla il processo di crescita.”

Negli ultimi 20 anni, diversi esperimenti hanno utilizzato algoritmi molecolari per fare cose come giocare a tic-tac-toe o assemblare varie forme. In ognuno di questi casi le sequenze di DNA dovevano essere accuratamente progettate per produrre un algoritmo specifico che avrebbe generato la struttura del DNA. Ciò che è diverso in questo caso è che i ricercatori hanno progettato un sistema in cui gli stessi pezzi di base di DNA possono essere ordinati per organizzarsi per produrre algoritmi totalmente diversi – e quindi, prodotti finali totalmente diversi. Questo pezzo di DNA piegato serve come “seme” che dà il via alla catena di montaggio dell’algoritmo, in modo simile al modo in cui un filo immerso in acqua zuccherata agisce come un seme quando cresce una caramella. Il seme rimane in gran parte lo stesso, indipendentemente dall’algoritmo, con modifiche apportate solo ad alcune piccole sequenze al suo interno per ogni nuovo esperimento.

Una volta che i ricercatori hanno creato il seme, viene aggiunto a una soluzione di circa 100 altri filamenti di DNA, noti come piastrelle di DNA. Queste tessere, ognuna delle quali è composta da una disposizione unica di 42 nucleobasi (i quattro composti biologici di base che compongono il DNA), sono prese da una collezione più grande di 355 tessere di DNA create dai ricercatori. Per creare un algoritmo diverso, i ricercatori avrebbero scelto un diverso insieme di tessere di partenza. Così un algoritmo molecolare che implementa una passeggiata casuale richiede un diverso gruppo di tessere di DNA rispetto a un algoritmo utilizzato per il conteggio. Quando queste tessere di DNA si collegano durante il processo di assemblaggio, formano un circuito che implementa l’algoritmo molecolare scelto sui bit di ingresso forniti dal seme.

Utilizzando questo sistema, i ricercatori hanno creato 21 diversi algoritmi che potrebbero eseguire compiti come riconoscere multipli di tre, eleggere un leader, generare modelli e contare fino a 63. Tutti questi algoritmi sono stati implementati utilizzando diverse combinazioni delle stesse 355 tessere di DNA.

Scrivere codice scaricando tessere di DNA in una provetta è mondi lontani dalla facilità di scrivere su una tastiera, naturalmente, ma rappresenta un modello per le future iterazioni di computer a DNA flessibili. Infatti, se Doty, Winfree e Woods avranno successo, i programmatori molecolari di domani non dovranno nemmeno pensare alla biomeccanica sottostante ai loro programmi, proprio come i programmatori di computer di oggi non hanno bisogno di capire la fisica dei transistor per scrivere un buon software.

Questo esperimento era scienza di base allo stato puro, una prova di concetto che ha generato risultati belli, anche se inutili. Ma secondo Petr Sulc, un assistente professore dell’Arizona State University’s Biodesign Institute che non è stato coinvolto nella ricerca, lo sviluppo di algoritmi molecolari riprogrammabili per l’assemblaggio su scala nanometrica apre la porta a una vasta gamma di potenziali applicazioni. Sulc ha suggerito che questa tecnica potrebbe un giorno essere utile per la creazione di fabbriche su scala nanometrica che assemblano molecole o robot molecolari per la consegna di farmaci. Ha detto che potrebbe anche contribuire allo sviluppo di materiali nanofotonici che potrebbero aprire la strada a computer basati sulla luce, piuttosto che sugli elettroni.

“Con questi tipi di algoritmi molecolari, un giorno potremmo essere in grado di assemblare qualsiasi oggetto complesso a livello di nanoscala utilizzando un set di piastrelle programmabile generale, proprio come le cellule viventi possono assemblare una cellula ossea o una cellula neuronale semplicemente selezionando quali proteine sono espresse”, dice Sulc.

I potenziali casi d’uso di questa tecnica di assemblaggio su scala nanometrica sbalordiscono la mente, ma queste previsioni si basano anche sulla nostra comprensione relativamente limitata del potenziale latente nel mondo della nanoscala. Dopo tutto, Alan Turing e gli altri progenitori dell’informatica difficilmente avrebbero potuto prevedere Internet, quindi forse ci aspettano anche alcune applicazioni altrettanto insondabili per l’informatica molecolare.

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