Sotto l'albero, un computer in provetta

"Ogni uomo considera i limiti della propria visione personale come i limiti del mondo"

(Arthur Schopenhauer)

di Andrea Sicco

Duecento ricercatori, molti dei quali computer scientist, fisici, chimici e biologi, si ritrovarono in un'aula dell'Universita' di Princeton per un primo incontro sui "Dna computers". Nel gruppo c'era anche Leonard Adleman, teorico dell'informatica all'Universita' di California a Los Angeles.

Da anni, per superare i limiti fisici imposti dall'uso di materiali come il silicio, usati per fabbricare la struttura degli attuali microchip, si stava esplorando la possibilità di ricorrere a sostanze diverse, alternative, possibilmente migliori, sostanze biologiche. Adleman assemblò un primo computer in provetta, battezzato "TT 100", dove TT significa "Test Tube" e la cifra accanto specifica, corrisponde alla quantità di fluido impiegato ovvero cento microlitri di molecole di Dna. Tanto per fare un paragone pratico, cento microlitri corrispondono a un quinto del contenuto di una tazzina da te'.

Pensando ai chip e ai fili tradizionalmente presenti negli elaboratori di calcolo, come noi oggi li conosciamo, riesce piuttosto difficile immaginare che da un liquido biologico si possano estrarre una o più cifre risultanti. Adleman, come sempre avviene in questi casi, si ritrovò ben presto circondato dal crescente scetticismo dei colleghi, per l'occasione, giunti a Princeton.

Attualmente sappiamo gestire un flusso di elettroni che si muovono nel circuito seguendo la logica binaria (0/1). Infatti, dall' apertura e dalla chiusura di queste due possibilita' elementari, derivano anche i risultati numerici più complessi.

Facendo ricorso al Dna, si sintetizzano delle molecole della doppia elica secondo particolari sequenze, ponendole poi insieme (in provetta) per la reazione. La sequenza risultante rappresenta la risposta ottenuta. In tal modo, entrano in gioco le unita' chimiche e non più le unita' elettriche.

Inoltre, questa nuova prospettiva, non pone alcun problema bioetico anche perchè le catene di Dna impiegate sono prodotte artificialmente e non vengono estratte dalle cellule di qualche essere vivente.

Il "TT 100" di Adleman è considerabile come l'embrione della nuova generazione di Dna computer, miliardi di volte piu' efficiente di una macchina convenzionale e, per immagazzinare le informazioni, con spazi infinitesimali rispetto a quelli odierni, parallelo nel funzionamento e in grado, con alcuni miliardi di molecole di Dna, di effettuare un numero di operazioni molto più elevato di quello realizzabile da tutti i computer del mondo (al silicio o all' arseniuro di gallio) collegati fra loro.

Il "Dna computer" si presterebbe meglio, infatti, più al lavoro di immagazzinamento e reperimento delle informazioni che in operazioni in cui risulta fondamentale la velocità di calcolo. Da simili considerazioni nacque l' idea di ibrido, dei "computer ibridi" (metà silicio e metà Dna) al fine di ottenere da ognuno, il meglio delle rispettive potenzialità.

Attualmente, il transistor è una componente elettronica con la funzione di regolare il flusso di elettroni in un determinato circuito integrato, funzionando da amplificatore e interruttore. Il "transistor biologico", invece, rappresenta il primo prototipo di ricerca o primo passo verso quelli che saranno i "computer viventi", sistemi ibridi basati su circuiti integrati a base di Dna e su funzione dei geni.

Questa seconda tipologia e generazione di nuovi transistor opera mediante la molecola della vita che controlla il flusso della proteina Rna polimerasi lungo un filamento di Dna e permette di eseguire "calcoli" all’interno di cellule viventi per registrare, tanto per fare un esempio, quando le cellule stesse sono esposte a determinati stimoli esterni, per accenderne o spegnerne la riproduzione. Nominato "trascrittore", il circuito è stato realizzato all’interno di un batterio, combinando fra loro geni in modo da controllare il flusso della proteina lungo un filamento di Dna. Due geni codificano i flussi in entrata mentre un gene codifica quelli in uscita, i primi sono enzimi in grado di tagliare frammenti di Dna e invertirli. Quando il frammento di Dna da invertire significa "stop", nel momento in cui viene invertito, cambia significato. In tal caso risulta possibile impartire determinati comandi ad una cellula.

Per costruire bio-computer all'interno di una varietà di organismi biologici, si devono selezionare enzimi in grado di funzionare implementati in batteri, funghi, piante ed animali. Il transistor biologico o "transcriptor", assolve alla funzione di "porta logica" simile a quelle utilizzate nei tradizionali ed attuali elaboratori di calcolo, basate cioè sulla logica booleana, in cui i valori 1 e 0 assumono il significato di vero o falso: rispondendo "vero" la porta si apre, con "falso" si chiude. Si riesce ad impartire ordini alla cellula e farle quindi eseguire operazioni mediante una logica differente, quella booleana, ottenendo anche una buona amplificazione del segnale ottenuto. Le porte logiche ovviamente non costituiscono autonomamente un cosiddetto "computer biologico". Il "Boolean Integrase Logic Gates" è un sistema di porte logiche basate su un transistor biologico che implementa i calcolatori all'interno delle cellule per programmarle in modo che possano tener traccia dell'esposizione a un particolare stimolo ambientale, come già menzionato, per accendere o spegnere la riproduzione cellulare a comando ecc... Nell'analogo biologico si può già immaginare il Dna come un circuito e la molecola di *Rna polimerasi come degli elettroni, il cui flusso lungo il Dna è controllato dal transistor biologico "transcriptor".

*Rna polimerasi: enzima che sintetizza catene di Rna a partire dal Dna.

Nel dattaglio, il fulcro del "transcriptor" è costituito da una classe di enzimi che media la ricombinazione del materiale genetico in diversi costrutti. Proteine utilizzabili per esercitare una sorta di "controllo digitale" sul flusso della Rna polimerasi sul Dna e quindi per creare degli analoghi delle porte logiche che, in elettronica, sono circuiti in grado di realizzare operazioni con implementata la logica booleana; sistemi che danno risultati in uscita (output), a partire da più segnali in ingresso (input). S'inducono cambiamenti nel genoma della cellula mediante enzimi che, a loro volta, determinano delle variazioni nelle attività cellulari, rivelate attraverso la produzione o meno di un trascritto o di una proteina. Dai dati di input (informazioni in entrata) si riesce a programmare la cellula perché effettui, o meno, una determinata attività. Apportando, per esempio, variazioni alla concentrazione di questi enzimi si riesce a controllare il flusso della polimerasi lungo il Dna. Eseguendo più tentativi sull'organizzazione dei diversi componenti (geni, promotori e interruttori della trascrizione, siti di riconoscimento degli enzimi stessi) si possono creare diverse porte logiche come la costruzione dei "plasmidi" corrispondenti a tante porte logiche di cui si può testare il funzionamento, confrontando i dati ottenuti (l'espressione variabile dell'output, in questo caso una proteina fluorescente) con quelli attesi. Ci preme ricordare che un circuito biologico così costituito, si rivela adatto a produrre segnali con buon livello di amplificazione.

Per quanto riguarda questo tipo di sperimentazione, non s'intravedono applicazioni commerciali in tempi brevi anche perchè, ed è giusto ricordarlo, attualmente tutto si svolge nei laboratori e nei centri di ricerca. Una delle più grandi difficoltà che si parano sulla strada di un elaboratore di calcolo a base organica è il mantenimento della base organica stessa, la quale non può "accontentarsi" di corrente elettrica ma necessita di fluidi nutritivi. Inoltre, essendo una struttura a base biologica, presenta tutti i limiti della materia vivente (deperimento e morte). Una possibile soluzione sarebbe quella di modificare una struttura vivente tramite l'applicazione dell'ingegneria genetica, eseguendo la progettazione di una struttura biologica artificiale in grado di crescere e rigenerarsi indefinitivamente. Tutto questo permetterebbe di coltivare tessuti artificiali dedicati all'elaborazione dati (rete neurale). Il vantaggio di strutture biologiche è il grado superiore di connettività tra unità elaborative (neuroni) al fine di risolvere problemi non gestibili dagli attuali elaboratori elettronici.

Per concludere, un analogo biologico dei computer potrebbe dare la possibilità di inserire una grande quantità di programmi esecutivi all’interno di una cellula per registrare, per esempio, tanto la quantità di un inquinante quanto l'avanzamento di un processo degenerativo.