DNA al posto del silicio

Reazioni biologiche nei computer del futuro

Sono passati da poco i tre anni dal primo annuncio di un calcolatore 100 mila volte più veloce di tutti i suoi concorrenti: un computer, ope­ra di ricercatori israeliani dell’istituto scientifico Weizmann (per la precisione Yaakov Benenson, Rivka Adar, Tamar Paz-Elizur, Zvi Liv­neh ed Ehud Shapiro), in grado di eseguire la strabiliante cifra di 66 mila miliardi di operazioni al secondo. Eppure la nostra vita (quella infor­matica) di tutti i giorni non è affatto cambiata.

La ragione è che lo svi­luppo di elaboratori basati su qualcosa di diverso dall’elettronica è ancora un settore di ricerca avanzata e dovrà passare molto tempo pri­ma che queste conquiste raggiungano la nostra scrivania. Ciò non­dimeno, gli ostacoli di base sono stati superati e, per quanto possa es­sere lungo, è solo questione di tempo.

Il computer israeliano non è convenzionale ma funziona su base chimica, e precisamente grazie a molecole di DNA, l’aci­do desossiribonucleico che co­stituisce la microscopica dop­pia elica racchiusa in tutte le no­stre cellule. I computer tradi­zionali, invece, si basano sull’e­lettronica. Ogni secondo mi­liardi di transistor ricevono mi­nuscoli impulsi di corrente che, passando attraverso ciascun transistor, risultano nell’assen­za o nella presenza di corrente, interpretata come uno 0 oppu­re un 1 nel linguaggio dei bit. I vantaggi li abbiamo sotto gli oc­chi tutti i giorni. Gli svantaggi pure, in forma di consumo ener­getico e nella crescente impos­sibilità di imprimere ulteriori spinte significative alla tecnolo­gia. Usciranno ancora e a lungo microprocessori più potenti di quelli attuali, ma non certo un milione di volte più potenti, co­me le CPU di oggi sono rispetto a quelle dei primi Anni Settanta. Ecco le ragioni della ricerca di tecnologie alternative, come il computer a DNA. Gli studiosi israeliani hanno esattamente messo a punto un meccanismo basato su molecole di DNA ed enzimi, proprio come avviene nel corpo umano.

DNA per l’alimentazione e come software
L’idea di impiegare il DNA per memorizzare ed elaborare l’informazione data addirittura al 1994, quando si riuscì per la prima volta, in California, a ri­solvere per via biochimica un problema aritmetico elementa­re. Negli anni si sono susseguiti altri tentativi, per esempio il la­voro di Leonard Adleman, del­l’ Università della California, che è arrivato a mostrare la possibi­lità di risolvere, usando il DNA, un problema a 20 variabili, in cui scegliere quella giusta tra 1.048.576 possibili soluzioni. Tuttavia le soluzioni proposte si sono rivelate sempre macchi­nose e relativamente costose dal punto di vista energetico. In Israele si è compiuto un passo decisivo abbandonando l’uso come fonte di energia della mo­lecola ATP, o adenosintrifosfa­to, in favore del DNA stesso. È proprio la molecola fornita in input per il «calcolo» che forni­sce l’alimentazione per ese­guirlo. Gli altri ingredienti della reazione sono una seconda mo­lecola di DNA, che costituisce il «software», e un enzima deno­minato Fok I. Partendo dalla pa­gina Web relativa (http://www.weizmann.ac.il/mathusers/lbn/new_pa­ges/Pree_Room.html) è possi­bile vedere un’animazione espli­cativa della reazione.
Minuscolo, economico, veloce ed ecologico
I vantaggi potenziali di un cal­colatore a DNA sono immensi. Una singola goccia d’acqua, dal­l’ingombro trascurabile, ospita 1.000 miliardi di... come dire?... «transistor biologici». I requisi­ti energetici sono infimi rispet­to a quelli di un personal com­puter odierno, a fronte di una capacità di calcolo vertiginosa­mente più elevata. Il calcolato­re a DNA dispone soprattutto in modo nativo, spontaneo e per­fetto del parallelismo, che è la capacità di svolgere più opera­zioni indipendenti in contem­poranea.

Una singola goccia d’acqua, dall’ingom­bro trascurabile, ospita 1.000 miliardi di «transistor biolo­gici Agli occhi di un lento essere umano sembra che i computer lavorino già in que­sto modo, ma non è vero: i mi­croprocessori possono esegui­re una sola operazione per vol­ta, anche se nell’arco di un mi­liardesimo di secondo. Un ulti­mo vantaggio è il rispetto del­l’ambiente. Ovviamente non ci possono essere dubbi sulla bio­degradabilità di una molecola posseduta da qualunque orga­nismo vivente sulla Terra.
Una generazione intermedia di computer ibridi
Prima o poi si arriverà davvero al computer biologico, però non sarà prestissimo. Prima oc­corre risolvere i problemi che ne limitano profondamente il raggio d’azione. Per fare due esempi tipici dei mattoni fon­damentali della programma­zione, la reazione a DNA può dire se una lista di 0 e di 1 con­tiene un numero pari di 1, ma non può contarne il numero. Inoltre sa rispondere «Sì» o «No», ma non eseguire azioni più complesse, per esempio correggere l’ortografia di una parola. Tuttavia, potendo ri­spondere «Sì» o «No» a miliar­di
» di domande contempora­neamente, la sua utilità possi­bile è fuori discussione. Per questo alcuni esperti prevedo­no l’avvento di una generazio­ne intermedia di computer ibri­di, nei quali un coprocessore biologico affianca quello elet­tronico e ognuno svolge il com­pito che gli è più congeniale. Se la sperimentazione proseguirà con successo potremmo anche assistere alla nascita di straor­dinari nanocomputer per sco­pi medici, fatti di DNA, che pat­tugliano il corpo umano alla ri­cerca di malfunzionamenti a li­vello cellulare e, sulla base del proprio archivio di conoscen­ze, sintetizzano ed erogano sul posto la giusta quantità del composto chimico adeguato.

Primo passo: giocare a Tris
Nel frattempo i progressi, per quanto lentamente, si fanno sentire. Milan Stojanovic, do­cente della Columbia Univer­sity, e Darko Stefanovic, dell’ U­niversità del New Mexico, han­no messo a punto un dispositi­vo a base di DNA chiamato Maya, in grado di giocare al classico Tris contro un essere umano. La scelta del gioco è di- pesa dal fat­to che le regole sono piuttosto sem­plici da programmare e che il primo giocatore, se muove senza errori, non può mai perdere e dunque è facile con­trollare l’efficacia delle sue strategie. Inoltre il Tris è la scelta tipica del pro­grammatore quando ha bi­sogno di un software semplice per collaudare un computer. Sembra assurdo tanto dispen­dio di tecnologia e ingegno per giocare a Tris? Dipende. Per ora il calcolatore a DNA è materia­le da Guinness dei Primati o po­co più. Ma l’ Edsac del 1949, pri­mo calcolatore elettronico a memorizzare programmi in via permanente, installato presso l’ Università di Cambridge, im­magazzinò come primo gioco elettronico della storia esatta­mente il Tris. Da lì è iniziata la rivoluzione del silicio. E questo potrebbe essere il momento della rivoluzione del DNA.

Consulenza scientifica di Marco Cagnotti

Corriere del Ticino 13/05/06