Un computer molecolare basato sul DNA risolve calcoli sfruttando la termodinamica
Un computer che non ha bisogno di mantenere continuamente il sistema lontano dall’equilibrio per arrivare alla soluzione di un problema matematico. È il principio alla base di un nuovo computer molecolare basato sul DNA, sviluppato da un gruppo internazionale di ricercatori guidato da specialisti della Maynooth University, in Irlanda.
Il sistema, denominato Scaffolded DNA Computer (SDC), adotta un approccio radicalmente diverso rispetto all’elettronica convenzionale. Il risultato del calcolo viene associato allo stato termodinamicamente più stabile della struttura molecolare, permettendo alle molecole di DNA di organizzarsi spontaneamente verso la configurazione corrispondente alla risposta.
Parlare di un computer letteralmente “senza consumo di energia” sarebbe però fuorviante. La ricerca riguarda soprattutto la possibilità di effettuare il calcolo senza il continuo dispendio energetico tipico dei sistemi mantenuti fuori dall’equilibrio: la preparazione, la manipolazione e le variazioni di temperatura dell’esperimento continuano naturalmente a richiedere risorse.
Il risultato del calcolo è lo stato più stabile del sistema
I computer elettronici convenzionali funzionano mantenendo stati logici ben definiti e utilizzano energia durante le operazioni. Nel nuovo approccio molecolare, invece, i ricercatori hanno progettato una struttura nella quale l’equilibrio fisico codifica il risultato dell’algoritmo.
Durante una graduale diminuzione della temperatura, le molecole di DNA possono autoassemblarsi nella configurazione prevista. Il processo può essere paragonato, con le dovute differenze, alla formazione spontanea di una struttura cristallina quando cambiano le condizioni fisiche dell’ambiente.
Il sistema tende quindi verso la configurazione energeticamente più favorevole, che è stata progettata in modo da corrispondere alla soluzione del problema.
Il professor Damien Woods della Maynooth University, tra gli autori principali dello studio, descrive il concetto come la possibilità di progettare sistemi fisici nei quali sia proprio l’equilibrio a rappresentare il risultato dell’algoritmo.
La caratteristica interessante è che gli errori molecolari non devono necessariamente essere corretti attraverso un meccanismo continuamente alimentato: il sistema può sfruttare la propria dinamica termodinamica per dirigersi verso lo stato corretto.
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Dal calcolo della parità alle operazioni su numeri a 25 bit
Non si tratta soltanto di una dimostrazione teorica. Negli esperimenti il Scaffolded DNA Computer è stato utilizzato per svolgere diverse operazioni matematiche.
Il sistema è riuscito a moltiplicare per tre, dividere per due, sommare numeri da 25 bit e determinare la parità di sequenze da 8 bit.
Particolarmente significativo è anche il tempo necessario per alcune operazioni: determinati calcoli sono stati completati in meno di un minuto, un risultato notevole nell’ambito del molecular computing.
I ricercatori hanno inoltre dimostrato che il sistema può essere riutilizzato. Uno degli algoritmi è stato eseguito nuovamente per 25 cicli, aggiungendo nuovi filamenti di DNA alla soluzione anziché costruire ogni volta da zero l’intera macchina molecolare.
Per realizzare l’architettura è stato utilizzato anche un’impalcatura biologica derivata dal batteriofago M13, già ampiamente impiegato nelle tecniche di DNA origami. Questo approccio avrebbe permesso di portare il sistema fino a 100 bit mantenendo l’affidabilità necessaria agli esperimenti.
Il DNA computing nasce oltre trent’anni fa
L’idea di trasformare il DNA in uno strumento di calcolo precede di diversi decenni l’esperimento attuale.
Uno dei passaggi fondamentali risale al 1994, quando il ricercatore Leonard Adleman dimostrò sperimentalmente che le molecole di DNA potevano essere utilizzate per affrontare un problema combinatorio.
Da allora il settore del DNA computing ha mostrato possibilità affascinanti, ma anche difficoltà considerevoli. Le reazioni molecolari possono generare interazioni indesiderate, errori e segnali non previsti, mentre alcune architetture richiedono un controllo estremamente preciso delle condizioni sperimentali.
Il nuovo lavoro prova ad affrontare il problema da una prospettiva differente: invece di combattere continuamente la tendenza naturale del sistema, utilizza proprio termodinamica e autoassemblaggio come parte del processo computazionale.
Un ruolo importante è svolto dai principi del DNA origami, tecnica attraverso la quale specifiche sequenze possono guidare i filamenti di DNA nella formazione di nanostrutture programmate.
Non sostituirà il PC, ma apre possibilità completamente diverse
Il confronto con i computer elettronici deve essere interpretato con cautela. Un sistema molecolare di questo tipo non nasce per sostituire processori, GPU o computer personali nelle normali attività informatiche.
Il valore della ricerca riguarda soprattutto la possibilità di costruire sistemi computazionali microscopici capaci di sfruttare direttamente fenomeni fisici e molecolari per elaborare informazioni.
In prospettiva, principi simili potrebbero contribuire allo sviluppo di nuove tecnologie per l’archiviazione dei dati nel DNA, dispositivi molecolari estremamente affidabili e sistemi su scala nanometrica capaci di operare in ambienti nei quali l’elettronica tradizionale non è adatta.
Tra gli scenari più ambiziosi studiati nel settore rientrano anche nanodispositivi programmabili in ambienti biologici. Trasformare queste possibilità in tecnologie utilizzabili richiederà però ulteriori ricerche: i risultati sperimentali rappresentano un passo nel molecular computing, non la dimostrazione che i normali computer possano già funzionare senza energia.
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