DNA e Data Storage: le alternative al silicio e la sfida biologica

Computer biologici e DNA

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L’acido desossiribonucleico è un acido nucleico che contiene le informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di RNA e proteine, le molecole indispensabili per lo sviluppo ed il corretto funzionamento della maggior parte degli organismi viventi.

Un computer è una macchina automatizzata in grado di eseguire complessi calcoli matematici ed eventualmente altri tipi di elaborazioni dati. In particolare, il computer nasce esclusivamente come macchina in grado di eseguire calcoli matematici e, solo a partire dalla seconda metà del XX secolo, evolve in macchina in grado di eseguire le elaborazioni dati più varie.

Qual è il collegamento fra i due? Eccolo:

Ebbene Microsoft sta pensando di poter sfruttare il DNA per immagazzinare informazioni; si tratta di un progetto in collaborazione con l’Università di Washington, che ha scoperto un’interessante proprietà che lega la quantità di dati immagazzinabili nel DNA alla sua densità, e con la società Twist Bioscience.

In effetti il paragone tra un programma e il DNA è ben più complesso di quanto sembri. Definire un programma come un insieme di informazioni e/o istruzioni e il DNA come pura sequenza lineare di basi azotate, prescindendo momentaneamente dalle relazioni all’interno di una cellula, potrebbe aiutarci sotto questo aspetto: anche il DNA è un insieme di informazioni, codificate da unità costituite da tre basi azotate in sequenza, così come nel programma le informazioni sono racchiuse in una sequenza 1 e 0.

Inizialmente l’idea di utilizzare il DNA come magazzino di informazioni era del professor Ehud Keinan, che paragonando il corpo umano a un computer, aveva affermato:

«Hardware, software, input e output, cioè i quattro elementi di cui sono fatti gli elaboratori elettronici, sono presenti anche negli esseri viventi: ogni molecola del nostro corpo, l’hardware, parla infatti alle altre secondo precise istruzioni, il software, per raggiungere uno specifico risultato, l’output».

In effetti il biocomputer di Keinan sta tutto dentro una provetta: è un miscuglio di composti chimici, frammenti di DNA e ATP. 
All’interno della provetta si innesca una serie di reazioni chimiche che agisce sulle molecole di DNA modificandole in modo predefinito; Variando i reagenti gli scienziati possono modificare le sequenze di DNA e utilizzarle come microscopici dischi. Il biocomputer, in valore assoluto, è più lento di un computer elettronico tradizionale, ma il fatto di poter far lavorare milioni, o miliardi, di processi contemporaneamente lo rende spaventosamente veloce.

È possibile vedere un’applicazione del salvataggio di file sotto forma di DNA nell’operazione eseguita dai ricercatori della Twist Bioscience e dall’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, che hanno codificato due brani musicali rendendoli così eterni. I dati sotto forma di DNA si dimostrano incredibilmente stabili e, una volta incapsulati correttamente, si rivelano adatti per conservare dati di tipo digitale per millenni se non milioni o miliardi di anni.


Le alternative al silicio

Tutto questo si inserisce in un progetto ben più grande e ambizioso: quello che punta alla sostituzione del silicio come materiale di produzione dei chip. Grazie alle sue caratteristiche e al basso costo, il silicio, infatti, è da sempre fondamentale nel mondo dell’elettronica, ma l’impatto ambientale dovuto alla sua lavorazione e allo smaltimento stanno spingendo a cercare nuove soluzioni. Una potrebbe arrivare dalla semplicissima carta le cui proprietà sono state sfruttate da Elvira Fortunato e Rodrigo Martins dell’Università di Lisbona: i due ricercatori hanno inventato e testato dei microchip green che funzionano senza silicio sfruttando le proprietà della fibre di carta.

È nella corsa alle alternative al silicio, per realizzare le CPU e i chip elettronici, che si inserisce la sfida descritta finora: il DNA come computer.

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Una delle realizzazioni pratiche di “chip” al DNA è stato il processore biologico di Dan Nicolau, ricercatore dell’università McGill, che ha realizzato un prototipo di computer capace di sfruttare il movimento delle proteine anziché gli elettroni per trasportare le informazioni ed effettuare le operazioni booleane. Il prototipo è in effetti una scheda di materiale plastico grande appena 1,5 centimetri. La capacità di calcolo del processore è equiparabile a quella di molti supercomputer utilizzati oggi nella ricerca scientifica e per processare grandi moli di dati. Alla base di questa invenzione c’è l’ATP (acronimo di adenosina trifosfato), molecola zuccherina endoergonica (cioè contenente al suo interno energia immagazzinata all'atto della creazione) che svolge la funzione di fonte energetica, che nel caso del computer biologico è necessaria per muovere le proteine all'interno dei circuiti del processore. La scheda del computer sperimentale è composta da una miriade di piccoli canali e cunicoli che sostituiscono i transistor tipici dei chip in silicio.

Al lavoro sui materiali che potrebbero sostituire il silicio, oltre alle sperimentazioni del DNA, sono i ricercatori dell’Università di Pisa, quelli dell’Istituto Italiano di Tecnologia, del Massachusetts Institute of Technology, dell’Università di Notre Dame, dell’Università di Dallas, della società di ricerca AMO e di Texas Instruments: essi hanno collaborato insieme per creare i nuovi nanotransistor a basso consumo e realizzati senza silicio, che saranno a base di grafene e di altri materiali bidimensionali, come i calcogenuri dei metalli di transizione (TMD), ad esempio il seleniuro di bismuto.


Il DNA è la molecola della vita, la parte più preziosa ed essenziale di un essere vivente ma si sta rivelando essere anche qualcosa in più: un modo per immagazzinare informazioni, elaborare dati e sostituire l’attuale architettura di un computer. Si tratta di progressi estremamente lenti rispetto a quelli dell’elettronica, ma vale sicuramente la pena aspettare e vedere cosa ci riserva il futuro: il DNA ha aspettato miliardi di anni prima di assumere la sua funzione, ovvero la direzione della formazione di un essere vivente. Inoltre, alcuni studi dimostrano che gli strumenti basati sulla biologia sembrano molto più adatti a interagire con un organismo vivente e perciò il destino dei computer a DNA potrebbe non essere sulle nostre scrivanie, ma dentro di noi.