Calcolo del DNA

Leonard Adleman invia i suoi rimpianti. In una FAQ e-mail che usa per respingere i giornalisti in cerca di interviste, l'informatico e crittografo di fama mondiale della University of Southern California che ha inventato il campo del calcolo del DNA confessa che è improbabile che i computer a DNA diventino concorrenti autonomi per i computer elettronici. Continua, in qualche modo scusandosi: semplicemente non possiamo, in questo momento, controllare le molecole con l'abilità con cui gli ingegneri elettrici e i fisici controllano gli elettroni.

Fu nel 1994 che Adleman usò per la prima volta il DNA, la molecola di cui sono fatti i nostri geni, per risolvere una versione semplice del problema del commesso viaggiatore. In questo classico enigma, il compito è trovare il percorso più efficiente attraverso diverse città, dato che abbastanza città, il problema può sfidare anche un supercomputer. Adleman ha dimostrato che i miliardi di molecole in una goccia di DNA contenevano un potere computazionale grezzo che potrebbe, solo potrebbe, sopraffare il silicio. Ma da allora, gli scienziati si sono scontrati con dure barriere pratiche e teoriche. Come Adleman e altri nel campo hanno capito, potrebbe non esserci mai un computer fatto di DNA che rivaleggia direttamente con la microelettronica a base di silicio di oggi.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2000

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Ma questo non significa che si siano arresi. Lontano da esso. Sebbene gli scienziati informatici non abbiano trovato un percorso chiaro dalla provetta al desktop, ciò che hanno trovato li stupisce e li ispira. Memoria digitale sotto forma di DNA e proteine. Macchine di editing straordinariamente efficienti che navigano attraverso la cellula, tagliando e incollando dati molecolari nelle cose della vita. Inoltre, la natura racchiude tutte queste apparecchiature hi-fi molecolari in un batterio non molto più grande di un singolo transistor. Vista attraverso gli occhi degli scienziati informatici, l'evoluzione ha prodotto i computer più piccoli ed efficienti del mondo, e il cofanetto beige è agganciato.

Per come la vede ora Adleman, il calcolo del DNA è un campo in cui non si tratta tanto di battere il silicio quanto di nuove sorprendenti combinazioni di biologia e informatica che stanno spingendo i limiti in entrambi i campi, a volte in direzioni inaspettate. Gli scienziati stanno ancora lavorando sodo su come sfruttare le straordinarie capacità di elaborazione dei numeri del DNA per tipi specializzati di applicazioni, come la violazione del codice. Ma oltre a ciò, l'intelligenza innata incorporata nelle molecole di DNA potrebbe aiutare a fabbricare strutture minuscole e complesse, in sostanza utilizzando la logica del computer non per sgranocchiare numeri ma per costruire cose.

Tra i più promettenti di questi nuovi approcci ci sono le tessere di DNA intelligenti inventate da Erik Winfree, un informatico trentenne del California Institute of Technology (vedi 100 Young Innovators, TR novembre/dicembre 1999). Il brainstorming di Winfree è quello di creare elementi costitutivi nanoscopici dal DNA che non solo possono memorizzare dati ma sono progettati - Winfree ama dire programmato - per eseguire operazioni matematiche combinandosi insieme in modi specifici. Normalmente, il DNA esiste come due filamenti intrecciati delle lettere chimiche A, G, C e T, la familiare doppia elica. Ma le tessere del DNA di Winfree sono realizzate annodando insieme tre o più di questi fili, formando tessere di circa 15 nanometri (miliardesimi di metro) sul lato più lungo. Sfruttando la capacità del DNA di riconoscere selettivamente altri filamenti di DNA, Winfree ha codificato i bordi di queste tessere in modo che si uniscano nel modo giusto per formare minuscole strutture costruite su ordinazione.

In effetti, programmare il DNA in questo modo potrebbe dare ai chimici il tipo di controllo abile che potrebbe consentire loro di costruire strutture più complesse di quelle considerate finora, afferma Paul Rothemund, uno studente di dottorato nel laboratorio USC di Adleman.

Domino del DNA

L'idea di tessere DNA intelligenti è nata cinque anni fa al Red Door Cafe di Caltech, quando Winfree e Rothemund si sono incontrati per discutere del primo documento di calcolo del DNA di Adleman. La pubblicazione aveva acceso l'immaginazione in tutto il mondo e in tutte le discipline scientifiche. C'erano altri modi per calcolare con il DNA? Potrebbe battere il silicio? Rothemund portò con sé una pila di fogli che mostravano tutte le cose più strane che erano state fatte con il DNA. Uno di questi era di Nadrian Seeman, un chimico della New York University che aveva creato cubi, anelli, ottaedri e altre forme improbabili dalla doppia elica del DNA. Winfree, che stava lavorando a un dottorato relativo all'apprendimento artificiale nei robot, ha immediatamente visto un modo in cui le strane versioni del DNA di Seeman potevano essere utilizzate per il calcolo.

La svolta intellettuale di Winfree è stata ispirata dalla teoria delle tessere Wang, un po' di matematica recondita relativa ai modelli che possono essere creati utilizzando quadrati con lati numerati. Come i domino, i numeri su ogni tessera Wang determinano quali altre tessere può toccare. Stabilendo attentamente queste regole di abbinamento, possono emergere modelli complessi e interessanti man mano che vengono aggiunte più tessere. Ma è più di un semplice gioco di domino matematico. Poiché le tessere Wang contengono sia dati (i numeri) che semplici regole per combinarle, i matematici negli anni '60 hanno dimostrato che le tessere potevano essere utilizzate per aggiungere o moltiplicare i numeri. In effetti, hanno dimostrato che con il giusto insieme di questi ipotetici costrutti si potrebbe, in teoria, fare qualsiasi cosa un computer elettronico possa fare, dal giocare a scacchi al contare le pecore. La grande idea di Winfree era una semplice sintesi: utilizzare le molecole di DNA di Seeman come minuscole tessere Wang della vita reale.

Applicata al calcolo del DNA, la strategia potrebbe eludere uno dei problemi fondamentali che ha tormentato il campo fin dall'inizio: il troppo lavoro di laboratorio. Mentre il calcolo del DNA è bravo a produrre rapidamente un vasto numero di risposte, le cose rallentano quando si tratta di scegliere le risposte giuste dal mix. Prendiamo il problema del commesso viaggiatore originariamente risolto da Adleman, in cui l'obiettivo è trovare il percorso più efficiente attraverso sette città collegate da 14 voli di sola andata. Adleman ha creato filamenti di DNA per rappresentare ogni volo, quindi li ha combinati in una provetta per generare ogni possibile percorso.

Sebbene il DNA in un cinquantesimo di cucchiaino abbia prodotto 100 trilioni di risposte in meno di un secondo, la maggior parte di quelle risposte erano ripetizioni e la maggior parte di esse non erano corrette. Quindi il compito successivo di Adleman era quello di scartare le risposte sbagliate, qualcosa che poteva essere fatto in un batter d'occhio su un PC, ma nel caso di Adleman richiedeva diverse dozzine di procedure manuali di laboratorio. Ed è qui che risiede il problema con la maggior parte degli schemi di calcolo del DNA: ogni operazione sui dati significa un altro passaggio di laboratorio che richiede tempo.

Le tessere del DNA potrebbero risolvere questo problema. A differenza del DNA utilizzato da Adleman nei suoi esperimenti originali che si combinavano casualmente, le tessere di Winfree seguono semplici regole per ottenere il risultato corretto. Idealmente, metti [le tessere] nella provetta e whammo!, hai una risposta giusta, dice John Reif, un informatico della Duke University.

Lavorando con Winfree e Thom LaBean, un biochimico della Duke, Reif spera di mettere in pratica l'idea creando un semplice abaco molecolare con tessere di DNA. L'obiettivo è sommare i numeri binari da zero a otto. Con le lettere genetiche che sostituiscono gli 0 e gli 1, il team ha progettato serie di tessere, ognuna delle quali rappresenta una possibile colonna in un'aggiunta. Le regole per combinare correttamente le colonne sono codificate in filamenti sciolti di DNA che sporgono dai lati delle tessere.

Se tutto va bene, l'esperimento genererà diversi trilioni di strutture multitile, ognuna delle quali ha effettuato un'addizione ordinata di tre bit binari. Gli scienziati quindi leggeranno i risultati utilizzando metodi standard per la decodifica del DNA. L'esperimento sottolinea il potenziale potere dei computer a DNA: parallelismo e velocità massicci. Reif stima che una singola provetta di tessere di DNA potrebbe eseguire circa 10 trilioni di aggiunte al secondo, circa un milione di volte più velocemente di un computer elettronico.

Nanotech C++

L'enorme potenza pura del calcolo del DNA mantiene il campo in movimento nonostante tutti gli scoraggianti ostacoli tecnici. Eppure, anche se questi ostacoli alla fine si rivelassero insormontabili, il lavoro di Winfree potrebbe significare una svolta nella costruzione di dispositivi ultrapiccoli. In effetti, lo stesso Winfree pensa che l'applicazione più entusiasmante delle tessere del DNA sia come blocchi di costruzione intelligenti che si mettono insieme pezzo per pezzo su scala nanometrica, assemblando in strutture grandi e complesse.

Collaborando con Rothemund e Adleman alla USC, Winfree mira a fabbricare una forma bidimensionale nota come triangolo di Sierpinski. Prende il nome dal matematico polacco che lo scoprì nel 1915, il triangolo è un frattale complesso e bellissimo prodotto ripetendo una semplice regola geometrica. Il team prevede di costruire una versione reale del triangolo in una provetta utilizzando solo sette diverse tessere di DNA. Winfree ha progettato ogni tipo di piastrella per eseguire un semplice programma: aggiungersi o meno alla forma in crescita, a seconda degli indizi molecolari forniti dal bordo esterno del triangolo.

Nelle mani di esperti di nanofabbricazione come Seeman della NYU, le tessere del DNA potrebbero portare a metodi più semplici per realizzare strutture molecolari esotiche, facendo per la nanotecnologia ciò che CAD e materiali da costruzione prefabbricati hanno fatto per l'industria delle costruzioni. Un maggiore controllo porta a cose che quasi non puoi immaginare, dice Seeman. La nostra aspettativa è che questo approccio possa essere applicato per realizzare materiali di design e modelli interessanti in modo molto più economico.

Il laboratorio di Seeman, ad esempio, sta già cercando di attaccare nanoparticelle d'oro a tessere di DNA per prototipare minuscoli circuiti elettrici. Questi assemblaggi di DNA sarebbero circa 10 volte più piccoli delle più piccole caratteristiche incise nei chip di silicio. Tuttavia, Rothemund nota che ci sono limiti ai modelli calcolabili con le tessere DNA. Non possiamo fare nulla che vogliamo, dice Rothemund. Ma i semplici assemblaggi che abbiamo realizzato finora mostrano come funzionano bene le operazioni di base.

Mostrano anche quanto gli scienziati devono ancora imparare. Winfree paragona i suoi sforzi fino ad ora a programmi di una riga scritti in biochimica Basic. Quello che gli piacerebbe davvero fare è programmare reazioni biochimiche in C++. Si aspetta che questo linguaggio più avanzato si evolverà man mano che i ricercatori padroneggeranno nuove operazioni, come la rimozione selettiva di tessere da un assieme. Winfree ipotizza che un giorno potrebbe essere possibile riunire questo crescente repertorio di componenti programmabili per costruire sistemi sintetici - chiamateli nanorobot se lo desiderate - in grado di svolgere autonomamente compiti utili. La direzione davvero interessante che il calcolo del DNA ci sta portando è vedere fino a che punto possiamo imparare a programmare le reazioni biochimiche, afferma Winfree.

Potrebbe sembrare un clamore futuristico, ma i ricercatori stanno già iniziando a capire come farlo. Ai Bell Labs di Lucent Technologies, il fisico Bernie Yurke, per esempio, sta lavorando con il DNA nella speranza di assemblare motori molecolari ultrapiccoli. Yurke immagina che un giorno potrebbe essere possibile costruire un motore del DNA in grado di attraversare i costrutti di piastrellatura del DNA di Winfree, apportando cambiamenti chimici in punti specifici. Si potrebbe definire uno schema arbitrariamente complesso, dice Yurke, che potrebbe poi essere trasferito su un substrato di silicio per fabbricare circuiti e transistor su scala nanometrica. La mia speranza è che in futuro strutture elettroniche complesse come i computer saranno realizzate in questo modo.

Computer elettronici assemblati usando il DNA che calcola? Può sembrare una svolta improbabile nell'evoluzione del calcolo del DNA, ma è una svolta che Adleman crede sia del tutto in linea con il campo che ha contribuito a lanciare. Come il calcolo quantistico, il calcolo del DNA è molto futuristico ed entrambi sottolineano che il calcolo non deve aver luogo nella scatola che si trova sulle nostre scrivanie, afferma Adleman, questa volta in un'intervista telefonica. Anche se non diventeranno un valido mezzo di calcolo in futuro, e non so se lo faranno, potremmo imparare come dovrebbe essere il vero computer del futuro.

Calcolare (e costruire) con il DNA Organizzazione Ricercatori chiave Messa a fuoco Bell Labs Bernie Yurke, Allan Mills Fabbricazione di motori DNA per l'assemblaggio di componenti elettronici Duke University/Caltech John Reif, Thomas LaBean, Erik Winfree (Caltech) Lavorando su addizione massicciamente parallela utilizzando DNA tile New York University Nadrian Seeman Assemblaggio di complesse nanostrutture a partire dal DNA della Princeton University Laura Landweber, Richard Lipton Computer basato su RNA utilizzato per risolvere puzzle di scacchi noto come problema del cavaliere Università della California del sud Leonard Adleman Automatizzare un sistema di laboratorio autonomo per il calcolo del DNA; dimostrato, in teoria, che il DNA può violare lo standard di crittografia dei dati DES Università del Wisconsin Robert M. Corn, Lloyd M. Smith, Anne E. Condon, Max G. Lagally Adattamento della tecnologia DNA-chip per eseguire il calcolo del DNA su una superficie solida

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