Durante i miei studi e approfondimenti mi sono imbattuta in una disciplina all’avanguardia che studia le possibilità di creare dei computer utilizzando molecole biologiche al posto dei chip in silicio. Si è ormai arrivati ad un punto in cui la tecnologia informatica deve necessariamente studiare nuovi substrati per poter conservare i dati, poiché i microscopici microchip di silicio hanno raggiunto la massima efficienza nel minimo spazio possibile.
Dunque è nata questa disciplina, a cavallo tra l’informatica, l’ingegneria dei software, la chimica, la fisica, la biologia molecolare, la genetica, l’ingegneria genetica e la matematica, che si chiama DNA Computing.
Ma come! Cosa c’entra il DNA con l’informatica e la conservazione dei dati?
Tutto, in effetti. Se in natura esiste un sistema, rifinito e perfetto, di trasmissione dell’informazione, un sistema perfetto capace di generare un essere vivente partendo dall’informazione contenuta nel nucleo di una singola cellula, quello è il DNA.
E se si riuscisse a trovare il modo di utilizzarlo per immagazzinare e trasmettere informazioni, oppure per aumentare la velocità di calcolo delle macchine e per poter conservare i dati per un tempo più lungo in spazi molto ridotti?
A livello teorico questa idea circolava già da tempo: negli anni ’50 Richard Feynman ipotizzò la possibilità di utilizzare molecole come strumento di calcolo, e anche Charles Bennett e Michael Conrad negli anni ’80 fecero congetture su possibili modelli di calcolo molecolari.
Ma i primi passi pratici in questa direzione sono stati compiuti da Leonard Adleman nel 1994 con un celebre esperimento in cui ha utilizzato il DNA (e le tecniche di biologia molecolare) per risolvere un problema statistico. Per saperne di più vi invito a dare un’occhiata a questo link, in cui viene spiegato di che si tratta. L’anno successivo lo scienziato Richard Lipton ha fatto ulteriori passi avanti nel DNA computing riuscendo a tradurre le coppie di basi del DNA in sequenza di 0 e 1 e sviluppando una tecnica che mostra come il DNA si possa “programmare”.
Sono passati ormai 28 anni dall’esperimento di Adleman, e la tecnologia è progredita e si è raffinata ulteriormente.
Nel 2001 è stato pubblicato l’annuncio di una macchina molecolare programmabile, composta da enzimi e molecole di DNA invece dei classici microchip di silicio. Questa macchina si è rivelata essere centomila volte più rapida dei computer più performanti disponibili all’epoca.
Nel 2004 altri colleghi hanno annunciato su Nature la costruzione di un computer a DNA, con delle potenzialità molto interessanti. Nello specifico di questo articolo, emerge la possibilità di applicare questa tecnologia per fare diagnosi biochimica, ingegneria genetica e anche fare terapia direttamente sulle cellule malate.
Nel 2013 gli scienziati Nick Goldman e Ewan Birney dell’Istituto Europeo di Bioinformatica sono riusciti a trasmettere dei files in .pdf (un estratto della ricerca di Watson e Crick sul DNA), in .txt (i 54 sonetti di Shakespeare), in .mp3 (il famoso discorso “I have a dream” di Martin Luther King) e un’immagine in .jpeg attraverso una ridotta quantità di DNA da un laboratorio ad un altro.
Le potenzialità sono incredibili.
Da un lato c’è la possibilità di utilizzare un sistema di stoccaggio e trasmissione delle informazioni che difficilmente può essere degradato (pensiamo ai frammenti di DNA risalenti ai Neanderthal, di almeno 10 000 anni), che occupa pochissimo spazio e genera teoricamente molto meno inquinamento. Dall’altro c’è la possibilità di lavorare all’interno della cellula stessa programmando del DNA (o dell’RNA) esogeno a regolare la trascrizione di geni malfunzionanti.
Immaginate dunque le potenzialità terapeutiche in caso di malattie genetiche oppure per indirizzare farmaci direttamente e solamente alle cellule tumorali.
Quali sono i vantaggi del DNA computing?
Innanzitutto il primo grande vantaggio del DNA computing è la possibilità di fare diversi calcoli in parallelo, e questo rende il calcolo velocissimo, circa un milione e duecentomila volte più rapido degli attuali super computer.
Un secondo vantaggio è legato alla densità di informazione che è contenuta nel DNA: si calcola che se con le tecnologie convenzionali si possono contenere al massimo 109 bits per grammo, il DNA ne può contenere fino a 2 trilioni di bits in più (2X1021) per grammo. Impressionante, vero?
Si stima addirittura che pochi grammi di DNA possono contenere più di tutte le informazioni contenute in questo momento nelle memorie di tutti i computer esistenti sulla Terra.
Un altro beneficio dell’utilizzo del DNA computing è l’efficienza energetica del sistema (10 miliardi di volte più efficiente dei computer attuali).
Ma come posso immaginare il DNA computing?
Al momento attuale è molto difficile immaginare di avere un computer a DNA in casa propria. Microsoft, e altri colossi dell’informatica stando studiando principalmente la possibilità di utilizzare queste tecniche per la conservazione dei dati, che risulterebbero meno facilmente degradabili (se conservati al buio e alla giusta temperatura), più durevoli, e occuperebbero lo spazio di poche provette o pochi supporti contenenti DNA.
Eh sì, perché tutto il DNA computing avviene all’interno di provette di laboratorio, e il risultato finale è talmente piccolo da risultare quasi invisibile ad occhio nudo!
In queste provette si inseriscono dunque frammenti di DNA sintetico, enzimi e tutte le molecole necessarie affinché avvengano reazioni chimiche che saranno poi lette e decodificate.
Per ora dunque possiamo immaginare che questa tecnologia sarà usata per lo stoccaggio dei dati, per i famosi cloud, e nessun utente normale si accorgerà mai della differenza rispetto alla conservazione su silicio.
I costi sono ancora proibitivi, tuttavia. Questo significa che dovranno passare ancora alcuni anni prima che questa tecnologia prenda piede e si diffonda.
Epigenetica, Steganografia e DNA Computing
Prima di concludere vorrei raccontarvi uno studio interessantissimo del 2016.
Come vi ho già raccontato, l’informazione epigenetica è in grado di aggiungere un ulteriore livello informativo a ciò che è codificato dal DNA.
Ispirati da questo e dalla steganografia, gli autori di questo studio, il Dottor Clemens Mayer e i suoi collaboratori, hanno ideato un sistema per aumentare i livelli di informazione di un determinato frammento sintetico di DNA.
Cos’è la steganografia?
È l’arte di inserire messaggi nascosti cammuffandoli in modo tale da essere riconoscibili solamente da chi sa cosa trovare. La storia è zeppa di esempi. Uno dei più famosi è quello raccontato da Erodoto nelle storie: Istieo, tiranno di Mileto, doveva mandare un messaggio segreto al suo vassallo Aristagora, e lo fece scrivendolo sulla testa rasata di un suo servitore e mandandolo via una volta cresciutigli i capelli, con le istruzioni di essere rasato al suo arrivo a destinazione. Sicuramente non si trattava di un messaggio urgente!
Altri esempi, più recenti, sono i messaggi segreti nascosti tra i pixel di immagini, oppure nelle tracce audio, o ancora in lettere, libri o giornali.
Ma torniamo a noi.
L’idea era di codificare tre messaggi diversi (nello specifico tre immagini, una di Rosalind Franklin, una di Charles Darwin e una di Alan Turing) nello stesso frammento di DNA.
Come fare per decifrare le tre immagini?
Se l’immagine di Darwin era il messaggio principale, le altre due immagini potevano essere decodificate leggendo i codici ottenuti attraverso una o due reazioni chimiche specifiche, che risultavano in un cambiamento del codice e dunque nei diversi output.
Con questo studio, in pratica, il Dottor Mayer e i suoi colleghi hanno deciso di superare la tecnologia finora sperimentata, che prevede che per ogni frammento di DNA codificato ci sia un solo output, tornando alla cellula, e osservando cosa accade al suo interno.
In natura, come ormai ben sappiamo, è grazie ai meccanismi epigenetici che le cellule di un organismo differenziano nonostante siano portatrici dello stesso corredo genetico.
In questo esperimento hanno testato, con successo, la possibilità di portare più significati contemporaneamente nello stesso filamento sintetico di DNA.
Questo chiaramente allarga ancora di più il potenziale di queste tecnologie, poiché la possibilità di assegnare significati multipli allo stesso frammento di DNA permette di stoccare al suo interno una maggior quantità di dati e la possibilità di aumentare la potenza di calcolo.
Da un punto di vista prettamente medico, diventa ancora più significativa la potenzialità di fare terapia direttamente sulle singole cellule, che magari risponderanno in modo diverso a seconda dell’ambiente biochimico che hanno al loro interno, o dal loro stato di salute.
Perché raccontarne oggi?
In un fumetto molto famoso, lo zio del protagonista diceva che “Da grandi poteri derivano grandi responsabilità”.
Questa tecnologia dalle potenzialità smisurate pone davanti a sé problematiche etiche altrettanto grandi.
Per quanto lungamente studiato, il DNA trattiene ancora molti segreti, non ancora svelati. In altri articoli ho parlato del DNA quantico, dell’importanza della struttura tridimensionale, ma anche di quella delle zone non trascrizionalmente attive, quello un tempo definito come junk DNA (QUI). Utilizzare una molecola ancora non completamente compresa per trasmettere qualunque genere di informazioni potrebbe portare a risultati inattesi, o imprevisti. D’altro canto, l’utilizzo di queste tecniche con fini non etici porterebbe ad un grandissimo pericolo per tutti i viventi sulla Terra.
Il DNA contiene il segreto della vita stessa, nelle sue informazioni strutturali ed anche energetiche.
Umiltà e cautela dovrebbero guidare il nostro approccio a questo Sacro Custode della Vita, non certo un’attitudine predatoria e amorale di chi annusa il potere di sentirsi come un dio e lo brama per sé.
Alcuni video per saperne di più:
(sono entrambi in inglese)
Fonti:
Giannazzo e G. Di Prima “Dalla Medicina Quantistica al DNA Quantico” ed. BookSprintEdizioni
Benenson, Y., Paz-Elizur, T., Adar, R. et al. “Programmable and autonomous computing machine made of biomolecules”. Nature 414, 430–434 (2001). https://doi.org/10.1038/35106533
Benenson, Y., Gil, B., Ben-Dor, U. et al. “An autonomous molecular computer for logical control of gene expression”. Nature 429, 423–429 (2004). https://doi.org/10.1038/nature02551
Goldman N., Birney E., “Digital files stored and retrieved using DNA memory” Nature (2013)
Kandere-Grzybowska, K., Grzybowski, B. “Programmed communication”. Nature Nanotech 12, 291–292 (2017). https://doi.org/10.1038/nnano.2016.298
Dr. Clemens Mayer, Dr. Gordon R. McInroy, Dr. Pierre Murat, Dr. Pieter Van Delft, Prof. Shankar Balasubramanian “An Epigenetics-Inspired DNA-Based Data Storage System” Angewandte Chemie (2016) https://doi.org/10.1002/anie.201605531
Le Bailly, B. “Nothing more than DNA”. Nature Nanotech (2016). https://doi.org/10.1038/nnano.2016.173
Chun, A. “Molecular computing: A logical connection”. Nature Nanotech (2015). https://doi.org/10.1038/nnano.2015.102
Goldman, N., Bertone, P., Chen, S. et al. “Towards practical, high-capacity, low-maintenance information storage in synthesized DNA”. Nature 494, 77–80 (2013). https://doi.org/10.1038/nature11875
