Che cos’è, come funziona e applicazioni del DNA Computing

Introduzione:

Il DNA Computing si configura come un innovativo paradigma computazionale emerso negli anni ’90, traendo ispirazione dai meccanismi biologici che governano la vita. Questo approccio sfrutta le molecole di DNA per eseguire calcoli e risolvere problemi complessi, aprendo nuove frontiere nel campo dell’informatica.

Fondamenti del DNA Computing:

Le origini del DNA Computing risalgono al 1994, quando Léonard Adleman dimostrò la possibilità di risolvere problemi combinatori utilizzando tecniche di ingegneria genetica. L’incredibile complessità degli esseri viventi deriva da semplici operazioni di mutazione, taglio, copia, incollaggio e ricombinazione applicate a sequenze di DNA. Questo processo biologico presenta una sorprendente analogia con il calcolo matematico, dove l’applicazione di funzioni basilari a un argomento produce un risultato. La natura, tuttavia, non si avvale di addizioni e sottrazioni, bensì di manipolazioni molecolari come tagli, incollaggi, cancellazioni e inserzioni.

L’osservazione di questa analogia, unitamente alla capacità di sintetizzare e manipolare il DNA in laboratorio, ha dato vita al DNA Computing. In questo paradigma, sequenze di DNA codificano informazioni iniziali e vengono sottoposte a operazioni di ingegneria genetica per eseguire calcoli.

Potenza computazionale del DNA:

Il DNA Computing non si limita a riprodurre semplici processi biologici, ma dimostra un’insospettata potenza computazionale. Ispirandosi ai lavori dei grandi logici degli anni ’30, come Alan Turing, il DNA Computing sfrutta la semplicità intrinseca del calcolo per affrontare problemi complessi.

Analogamente alla macchina di Turing, che manipola sequenze di simboli su un nastro, o ai computer moderni che elaborano sequenze di bit, il DNA Computing utilizza sequenze di DNA come memoria e le manipola attraverso operazioni di base come legame, taglio e splicing. La chiave del suo potere computazionale risiede nella doppia elica del DNA, che offre una struttura di memorizzazione compatta e complementare.

Un linguaggio universale della vita:

Il DNA rappresenta non solo un supporto di informazioni eccezionalmente efficiente, ma anche un linguaggio codificato con proprietà computazionali uniche. La sua natura binaria, con basi azotate complementari (adenina-timina e guanina-citosina), permette di rappresentare informazioni in modo simile ai bit utilizzati dai computer tradizionali. Inoltre, il DNA possiede una intrinseca capacità di autoassemblaggio e interazione, che lo rende ideale per l’esecuzione di calcoli paralleli su vasta scala.

Nuove frontiere computazionali:

L’emergere del DNA Computing sfida i paradigmi computazionali tradizionali, introducendo nuove strutture dati e modelli di calcolo. La sua capacità di manipolare simultaneamente grandi quantità di informazioni in modo parallelo apre nuove possibilità per affrontare problemi computazionalmente complessi che risultano difficilmente gestibili per i computer tradizionali.

Oltre il DNA:

Sebbene il DNA sia al centro di questo paradigma computazionale, la ricerca si spinge oltre, esplorando l’utilizzo di altre molecole biologiche come RNA e proteine per l’elaborazione di informazioni. L’integrazione di queste molecole con il DNA potrebbe ampliare ulteriormente le capacità computazionali di questo approccio.

Impatto e prospettive future:

Il DNA Computing si trova ancora nelle sue fasi iniziali di sviluppo, ma il suo potenziale è immenso. Le sue applicazioni potrebbero rivoluzionare settori come la medicina, la crittografia, l’intelligenza artificiale e la nanotecnologia. La sua capacità di risolvere problemi complessi in modo efficiente e biocompatibile apre nuove frontiere per la ricerca scientifica e il progresso tecnologico.

Il DNA Computing rappresenta un paradigma computazionale emergente che unisce biologia e informatica per risolvere problemi complessi in modo innovativo. Il suo sviluppo futuro potrebbe avere un impatto profondo e duraturo sulla società, aprendo nuove strade per la ricerca scientifica e il progresso tecnologico.

L’idea alla base del DNA Computing

L’idea base del DNA Computing è quella di passare dai microchips alle molecole di DNA. Gli ovvi limiti di miniaturizzazione che si hanno con le attuali tecnologie informatiche spingono alla drastica innovazione che porta le componenti di base del computer a livello molecolare, e due recenti mani­festazioni di questa tendenza sono il Quantum Computing e appunto il DNA Computing. In realtà già negli anni ’50 Richard Feynman speculò sulla possibilità di utilizzare molecole come strumento di calcolo. Con maggiori dettagli, negli anni ’80 sia Charles Bennett che Michael Conrad formularono proposte di modelli di calcolo molecolari. Di recente (novembre 1994) è stata sperimentata la reale fattibilità di tali computazioni, resa possibile dai grandi sviluppi della biologia molecolare e dalla capacità di produrre quantità enormi di molecole di DNA di una specifica sequenza e dimensione.

Questa è un’idea rivoluzionaria, che rappresenta un’inversione di tendenza: da circa cinquant’anni si cerca di comprendere la struttura e il comportamento del DNA attraverso modelli computazionali (ricordiamo per esempio lo svi­luppo dei processi stocastici e dei metodi statistici per risolvere problemi di genetica ed epidemiologia), invece il Molecular Computing, e in particolare il DNA Computing, processa variamente le biomolecole. Il fatto che i fenomeni interni alle cellule (copiare tagliare e incollare stringhe di DNA) possano essere computazioni suggerisce che la vita stessa possa consistere in una serie di complesse computazioni. E siccome la vita è uno dei fenomeni naturali più complessi potremmo generalizzare facendo la congettura che Finterò cosmo sia il prodotto di computazioni. La differenza tra le diverse forme di materia potrebbe quindi riflettere solo vari gradi di complessità computazionale: dal caos alla materia inorganica, dall’inorganico all’organico, l’intera evoluzione dell’universo potrebbe essere una storia di sempre crescente complessità di computazione.

Vantaggi del DNA Computing

Andiamo dunque a vedere, in concreto, i vantaggi nel “fare calcoli” col DNA.

• Velocità di calcolo
• Compattezza di informazione
• Risparmio energetico

Velocità di calcolo

Secondo Adleman un ipotetico computer DNA esegue approssimativamente 1,2 x 10^10 operazioni al secondo, quindi è circa 1.200.000 volte più veloce del più veloce degli attuali supercomputers. Un calcolo per il quale un computer richiede cento mila anni il DNA lo fa in un mese! Il segreto sta in un notevole parallelismo. Il DNA è una molecola stabile, che può essere trattata in molti modi già ben noti in laboratorio e può essere duplicata esponenzialmente, questo rende possibili interessanti computazioni con un enorme parallelismo, molto superiore a quello fornito dagli attuali computers.

Compattezza di informazione

La compattezza del DNA come contenitore di dati ha dell’incredibile.

È stato stimato che pochi grammi di DNA possono contenere più in­formazione di quanta ne contengano al momento tutte le memorie dei computers sulla terra. Considerano singole stringhe di DNA, quindi nel calcolo tutte le basi pre­senti vanno a codificare esattamente 2 bits. Questo loro approccio non è inverosimile, in quanto oggi esistono delle tecniche di cristallizzazione che impediscono l’appaimento delle stringhe complementari anche a tempera­tura ambiente, tuttavia abbiamo preferito fare un calcolo ridimensionato, che consideri la reale informazione contenuta in una molecola di DNA senza al­cun intervento esterno. Le cifre ottenute sono comunque molto interessanti: anche se riuscissimo ad utilizzare solo il 10% di tale contenuto informativo ot­terremmo comunque un’enorme avanzamento rispetto alla tecnologia attuale. D’altra parte, l’essere come siamo dipende dall’informazione contenuta nei geni del nostro DNA, che occupano solo il 10% della molecola (detta parte codificante).

Ricerche nel campo del DNA Computing stanno indagando sulla possibili­tà di codificare, accumulare, manipolare e recuperare informazioni biologiche in sequenze di DNA. Per esempio fornisce i dettagli di uno studio che ha coinvolto la progettazione, la costruzione e la sperimentazione di una grande base-dati per il contenimento e il ripristino di informazioni dentro sequen­ze di basi nucleotidiche di molecole artificiali di DNA. Queste basi di dati consistono in un grande insieme di singole stringhe di DNA (libere in so­luzione o immobilizzate su sferette, lastre vetrose, o chips) che contengono una particolare sequenza di basi, consistente in sottostringhe di cui ciascuna fa parte di un predeterminato insieme.

Risparmio energetico

Potenzialmente, i computers molecolari hanno un’efficienza energetica straordinaria.

Potenzialmente, i computers molecolari hanno un’efficienza energetica straordinaria. In linea di massima, un joule è sufficiente per compiere circa 2 x 10^19 reazioni di ligasi. Una cosa tanto più notevole se pensiamo che la seconda legge della termodinamica prevede che si possano compiere al massimo 34 x 10^19 operazioni irreversibili per joule, a temperatura ambiente. Gli esistenti supercomputers eseguono 10^9 operazioni per joule, quindi l’efficienza energetica di un ipotetico computer DNA sarebbe 10^10 volte maggiore (perché verrebbero eseguite 2 x 10^19 operazioni per joule).

Fonte: Capitolo 1 DNA Computing – Università di Verona