La nostra dipendenza dai gadget sta creando una quantità di dati senza precedenti. Gli esseri umani producono l'incredibile cifra di 16 zettabyte ogni anno, il che equivale a un miliardo di terabyte (nel caso ve lo steste chiedendo). E l'anno scorso il gruppo di ricerca IDC prevede che entro il 2025 creeremo più di 160 zettabyte all’anno.
I computer moderni e i chip di silicio ci sono stati utili, ma con tutti questi dati presto avremo bisogno di più di quanto possano offrire. Più veloce. Più grande. Meglio. I ricercatori sono alla ricerca del prossimo grande passo e uno dei potenziali nuovi materiali è piuttosto sorprendente: l’acido desossiribonucleico, in breve DNA.
Archiviazione migliore
I ricercatori sanno da molto tempo che il DNA può essere utilizzato per l’archiviazione dei dati. Nel 1961, Richard Feynman parlava del potenziale dei computer submicroscopici, e il primo tentativo di utilizzare il DNA per questo scopo avvenne nel 1994 con Leonard Adleman. Il nostro codice genetico è per molti versi una corrispondenza perfetta per un computer. Dopotutto, conserva il progetto per creare ogni creatura vivente su questo pianeta. Come bonus, si trasmette ripetutamente da una generazione all'altra con incredibile affidabilità, con molti dei geni che oggi rimangono praticamente invariati per innumerevoli generazioni. E se pensi che il DNA sia fragile e delicato, ripensaci. Il DNA è incredibilmente resistente e duraturo e, se mantenuto nelle giuste condizioni, rimarrà intatto per milioni di anni.
Non sorprende, quindi, che i ricercatori stiano lavorando per trasformare il DNA in un archivio informatico. Il DNA può essere trattato come un dispositivo di memorizzazione standard: il codice binario deriva dall'utilizzo delle basi timina (T), guanina (G), adenina (A) e citosina (C) per rappresentare gli 1 (T e G) e gli 0 (A e C). I ricercatori hanno già spremuto un film francese del 1896, un virus informatico, una carta regalo Amazon da 50 dollari, Le poesie di Shakespeare, una clip del discorso “I have a dream” di Martin Luther King e il lavoro di Watson e Crick che descrive la struttura del DNA nel DNA stesso, tra le altre cose.
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(L’Arrivée d’un train en gare de La Ciotat, dei Fratelli Lumière, è stato codificato nel DNA)
Tuttavia, “salvare” e “aprire” i file archiviati nella memoria del DNA non funzionano esattamente nel modo in cui riconosciamo. In effetti, al momento è un processo di sola lettura e è necessario accedere alle informazioni nel loro insieme, non in sezioni. Se i computer attuali fossero così, non saresti in grado di salvare nuovi dati e dovresti aprire tutti i file in una cartella contemporaneamente.
Nonostante le difficoltà nel trasformare queste prime tecniche in un sistema praticabile, negli ultimi anni l’interesse in questo campo è cresciuto. Nel 2012, Alphr riportarono alcuni dei primi tentativi di andare oltre la semplice codifica dei dati nel DNA. I ricercatori dell’Università di Stanford hanno scritto e riscritto con successo un bit di dati nel DNA batterico. Il loro obiettivo ora è quello di passare da un singolo bit a otto bit – un byte – di memorizzazione dei dati genetici programmabili.
Negli anni successivi, ricercatori dell’Università dell’Illinois ha fatto un ulteriore passo avanti e ha codificato le pagine di Wikipedia di sei università americane, prima di trovare e modificare con successo parti del testo di tre di quelle istituzioni all'interno del DNA. In questo caso i ricercatori hanno “protetto da password” ogni blocco di informazioni con un codice specifico, per facilitare l'individuazione delle sezioni da trovare.
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Continuando con lo stesso obiettivo di trovare e modificare sezioni specifiche, l'ultimo sviluppo proviene da un collaborazione internazionale tra università in Italia, Svezia e Irlanda, dove i ricercatori stanno sfruttando i batteri e i loro piccoli anelli di DNA chiamati plasmidi. Fondamentalmente, questi microrganismi “scambiano” plasmidi tra loro in un processo noto come coniugazione.
L’idea è quella di “salvare” i dati in plasmidi intrappolati in una posizione specifica. Per “aprire” questi file, i ricercatori inviano batteri mobili a visitare le loro controparti intrappolate. Dopo la coniugazione, ritornano portando le informazioni desiderate. “Se i batteri si trovano l’uno alla portata dell’altro, l’informazione, sotto forma di DNA, può passare da un donatore a un ricevitore”, afferma Alberto Giaretta, dottorando presso l’Università di Örebro in Svezia e uno degli autori di questo studio.
“La nostra idea è quella di costruire un archivio codificando le informazioni in batteri non mobili [incapaci di muoversi e quindi immobili]. Successivamente queste informazioni possono essere lette da batteri mobili che, utilizzando un Sistema di Posizionamento Molecolare (MPS, una sorta di GPS per batteri), [sarà in grado di] spostarsi verso l'archivio, leggere le informazioni attraverso la coniugazione e quindi consegnare tali informazioni ad a terzo punto”.
Secondo la tradizione, il team ha generato la sequenza di DNA codificata per il messaggio “Hello World”, che era inserito in un gruppo di batteri intrappolati e recuperato con successo dopo la coniugazione da un gruppo di batteri mobili batteri. “Abbiamo utilizzato diverse tecniche conosciute, ma in modo diverso e per uno scopo diverso: un modo intelligente di utilizzare tecniche conosciute di biologia molecolare per un applicazione molto diversa”, aggiungono Lee Coffey e Triona Dooley-Cullinane, ricercatori del Waterford Institute, Irlanda, anch’essi coinvolti in questo studio.
Computer coltivabili
Anche se questo è certamente impressionante, l’archiviazione non è l’unica applicazione del DNA nei computer. Incredibilmente, i ricercatori dell’Università di Manchester lo hanno dimostrato Al DNA può anche essere “insegnato” a eseguire operazioni.
“I computer attuali funzionano secondo il principio della lettura di un codice (memorizzato sul disco rigido) ed eseguendo a comando (utilizzando la memoria e il processore)", spiega il chimico Andrew Currin, uno degli autori di questo studio. “Il nostro computer a DNA ha lo stesso principio, tranne per il fatto che il nostro disco rigido è la sequenza del DNA e il processore è l’enzima utilizzato per copiare il DNA. Si potrebbe facilmente immaginare che l’archiviazione del DNA e i computer del DNA funzionerebbero molto bene combinati insieme”.
(Uno scienziato inserisce un campione di DNA nel termociclatore PCR in tempo reale. Credito: Shutterstock)
Fondamentalmente, ciò che distingue i computer DNA dai nostri dispositivi comuni è che possono “crescere”. Non in senso figurato, ma letteralmente. Quando il DNA esegue un comando, si replica e raddoppia la sua capacità. “Tutto accade in un tubo. Non vengono utilizzate cellule viventi e il DNA è interamente sintetico”, mi dice Currin. “Il codice del DNA viene riconosciuto da un pezzo di DNA più corto, che poi fa sì che il resto del DNA venga copiato. Una volta riconosciuto il codice, è possibile modificarlo appositamente per creare un nuovo comando. Ciò avviene mediante un processo chiamato PCR [reazione a catena della polimerasi], una tecnica ampiamente utilizzata per copiare il DNA”.
“[Il nostro computer a DNA] si replica per seguire entrambi i percorsi contemporaneamente, trovando così la risposta più velocemente”
Le conseguenze di questo aumento di capacità sono incredibili. Se immaginiamo una questione computazionale come un labirinto, i computer DNA adottano un approccio completamente diverso per risolvere il problema rispetto ai dispositivi standard. “I computer elettronici standard, quando arrivano a un incrocio a T, devono scegliere quale percorso prendere, mentre [il nostro computer a DNA] non ha bisogno di scegliere, poiché si replica seguire entrambi i percorsi contemporaneamente, trovando così la risposta più velocemente", afferma Philip Day, lettore di biologia sintetica e genomica quantitativa presso l'Università di Manchester.
In altre parole, è come usare milioni di computer contemporaneamente per risolvere il problema. “Nel nostro computer a DNA, ogni calcolo è rappresentato da un singolo filamento di DNA, che ci consente di utilizzare migliaia di miliardi di calcoli che avvengono contemporaneamente. Questo tipo di computer basato sul DNA può presentare enormi vantaggi rispetto ai computer convenzionali. Potremmo avere computer più potenti di tutti i computer del mondo messi insieme e metterli in una tasca”, spiega Konstantin Korovin, docente senior presso l’Università di Manchester.
Nuvole di DNA
Il campo ha fatto molta strada dal 1994, quando Leonard Adlemann ha descritto il primo esempio riuscito di computer a DNA, ma ci sono ancora molte sfide da superare. Tutto questo lavoro si basa su un efficiente sequenziamento del DNA che, sebbene abbia fatto passi da gigante da quando è stato introdotto alla fine degli anni ’70, è ancora ingombrante e costoso. Inoltre, il tipo di problemi che i computer del DNA possono risolvere in questo momento non sarebbero di grande utilità per pubblicare un’immagine su Facebook o scrivere un documento word.
“Attualmente disponiamo di un’implementazione proof-of-concept, ma dobbiamo sviluppare ulteriormente le tecniche per raggiungere il potenziale. Una delle sfide tecniche è rendere affidabili i calcoli del DNA su larga scala e ridurre al minimo il numero di errori nei calcoli”, afferma Korovin.
(Il codice delle basi nucleotidiche nel DNA. Credito: Shutterstock)
Ciò che rende questo campo molto interessante è il fatto che le grandi aziende stanno iniziando a notare il potenziale nascosto nel DNA. Microsoft ha recentemente annunciato il suo interesse per aggiungendo l'archiviazione del DNA al loro sistema cloud. “L’interesse da parte di leader tecnologici come Microsoft e la ricerca che si sviluppa al ritmo attuale, rende probabile che nei prossimi anni la conservazione del DNA sarà una realtà invece che una fantasia”, affermano Coffey e Dooley-Cullinane.
Ci vorrà del tempo prima che i personal computer e i telefoni cellulari basati sul DNA vengano alla luce – se mai lo faranno – ma ci sono molte altre potenziali applicazioni che non sono più inverosimili. “Abbiamo alcune idee su come i computer del DNA potrebbero essere resi disponibili, e una di queste idee è che questi computer lo saranno inizialmente si accedeva attraverso il cloud e veniva utilizzato per lavorare su problemi computazionali più ampi”, afferma l’Università di Manchester Filippo Giorno.
Poi c’è qualcosa che il tuo computer medio non sarà mai in grado di fare: non è così difficile immagina che i computer del DNA vengano introdotti nelle cellule viventi per mescolarsi con quelli biologici esistenti meccanismi. Esempi straordinari in arrivo includono un modo intelligente per somministrare farmaci solo quando necessario o a rilevamento più accurato del cancro. Se gli scienziati riuscissero a decifrare i computer del DNA, potrebbe non passare molto tempo prima che i confini tra programmazione naturale e artificiale inizino a confondersi.
