Immaginiamo invariabilmente che i dispositivi elettronici siano realizzati con chip di silicio, con cui i computer memorizzano ed elaborano informazioni come cifre binarie (zeri e uno) rappresentate da minuscole cariche elettriche. Ma non è necessario che sia così:tra le alternative al silicio ci sono mezzi organici come il DNA.

Il calcolo del DNA è stato dimostrato per la prima volta nel 1994 da Leonard Adleman che ha codificato e risolto il problema del commesso viaggiatore, un problema di matematica per trovare il percorso più efficiente da prendere per un venditore tra ipotetiche città, interamente nel DNA.

acido desossiribonucleaico, DNA, può immagazzinare grandi quantità di informazioni codificate come sequenze delle molecole, noti come nucleotidi, citosina (C), guanina (G), adenina (A), o timina (T). La complessità e l'enorme varianza dei codici genetici di specie diverse dimostra quante informazioni possono essere immagazzinate all'interno del DNA codificato utilizzando CGAT, e questa capacità può essere utilizzata nell'informatica. Le molecole di DNA possono essere utilizzate per elaborare informazioni, utilizzando un processo di legame tra coppie di DNA noto come ibridazione. Questo prende singoli filamenti di DNA come input e produce successivi filamenti di DNA attraverso la trasformazione come output.

Dall'esperimento di Adleman, sono stati proposti molti "circuiti" basati sul DNA che implementano metodi computazionali come la logica booleana, formule aritmetiche, e calcolo della rete neurale. Chiamata programmazione molecolare, questo approccio applica concetti e progetti consueti all'informatica ad approcci su scala nanometrica appropriati per lavorare con il DNA.

In questo senso la "programmazione" è veramente biochimica. I "programmi" creati sono infatti metodi di selezione di molecole che interagiscono in modo da ottenere un determinato risultato attraverso il processo di autoassemblaggio del DNA, dove raccolte disordinate di molecole interagiranno spontaneamente per formare la disposizione desiderata di filamenti di DNA.

DNA "robot"

Il DNA può anche essere usato per controllare il movimento, consentendo dispositivi nanomeccanici basati sul DNA. Questo è stato ottenuto per la prima volta da Bernard Yurke e colleghi nel 2000, che ha creato da filamenti di DNA un paio di pinzette che si aprivano e pizzicavano. Esperimenti successivi come quelli di Shelley Wickham e colleghi nel 2011 e nel laboratorio di Andrew Turberfield a Oxford hanno dimostrato macchine per camminare nanomolecolari fatte interamente di DNA che potrebbero attraversare percorsi prestabiliti.

Una possibile applicazione è che un tale nano-robot DNA walker potrebbe avanzare lungo i binari prendendo decisioni e segnalando quando raggiunge la fine del percorso, indicando che il calcolo è terminato. Proprio come i circuiti elettronici sono stampati su circuiti stampati, Le molecole di DNA potrebbero essere utilizzate per stampare tracce simili disposte in alberi decisionali logici su una tessera DNA, con enzimi utilizzati per controllare la ramificazione decisionale lungo l'albero, facendo in modo che il deambulatore prenda un binario o un altro.

I camminatori del DNA possono anche trasportare carichi molecolari, e quindi potrebbe essere utilizzato per fornire farmaci all'interno del corpo.

Perché il calcolo del DNA?

Molte caratteristiche interessanti delle molecole di DNA includono la loro dimensione (larghezza 2 nm), programmabilità ed elevata capacità di archiviazione, molto maggiori rispetto alle loro controparti in silicio. Il DNA è anche versatile, economico e facile da sintetizzare, e l'elaborazione con il DNA richiede molta meno energia rispetto ai processori al silicio alimentati elettricamente.

Il suo svantaggio è la velocità:attualmente ci vogliono diverse ore per calcolare la radice quadrata di un numero di quattro cifre, qualcosa che un computer tradizionale potrebbe calcolare in un centesimo di secondo. Un altro svantaggio è che i circuiti del DNA sono monouso, e devono essere ricreati per eseguire nuovamente lo stesso calcolo.

Forse il più grande vantaggio del DNA rispetto ai circuiti elettronici è che può interagire con il suo ambiente biochimico. Il calcolo con le molecole implica il riconoscimento della presenza o dell'assenza di determinate molecole, e quindi un'applicazione naturale del calcolo del DNA è portare tale programmabilità nel regno del biosensore ambientale, o somministrare farmaci e terapie all'interno di organismi viventi.

I programmi del DNA sono già stati utilizzati per usi medici, come la diagnosi di tubercolosi. Un altro uso proposto è un "programma" nanobiologico di Ehud Shapiro del Weizmann Institute of Science in Israele, definito il "dottore nella cellula" che prende di mira le molecole del cancro. Altri programmi DNA per applicazioni mediche mirano ai linfociti (un tipo di globuli bianchi), che sono definiti dalla presenza o assenza di determinati marcatori cellulari e quindi possono essere rilevati naturalmente con logica booleana vero/falso. Però, è necessario uno sforzo maggiore prima di poter iniettare droghe intelligenti direttamente negli organismi viventi.

Il futuro del calcolo del DNA

Preso in senso lato, Il calcolo del DNA ha un enorme potenziale futuro. La sua enorme capacità di archiviazione, basso costo energetico, la facilità di produzione che sfrutta il potere dell'autoassemblaggio e la sua facile affinità con il mondo naturale sono un ingresso al calcolo su scala nanometrica, possibilmente attraverso progetti che incorporano componenti sia molecolari che elettronici. Dal suo inizio, la tecnologia è progredita a grande velocità, fornire diagnostica point-of-care e farmaci intelligenti proof-of-concept, quelli che possono prendere decisioni diagnostiche sul tipo di terapia da erogare.

Ci sono molte sfide, Certo, che devono essere affrontati in modo che la tecnologia possa passare dal proof-of-concept ai veri farmaci intelligenti:l'affidabilità dei camminatori del DNA, la robustezza dell'autoassemblaggio del DNA, e migliorare la somministrazione dei farmaci. Ma un secolo di ricerca informatica tradizionale è ben posizionato per contribuire allo sviluppo del calcolo del DNA attraverso nuovi linguaggi di programmazione, astrazioni, e tecniche di verifica formale - tecniche che hanno già rivoluzionato la progettazione di circuiti in silicio, e può aiutare a lanciare l'informatica organica lungo lo stesso percorso.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione di The Conversation (sotto Creative Commons-Attribuzione/Nessun derivato).