Cos’è un computer a DNA e a cosa serve?

Cos’è un computer a DNA e come funziona? I ricercatori di Maynooth hanno sviluppato un sistema molecolare capace di eseguire calcoli senza alimentazione continua.

Un computer che non utilizza un processore al silicio, non ha transistor e non deve essere alimentato continuamente per completare un calcolo. Al suo posto ci sono filamenti di DNA immersi in acqua, una soluzione salina e una breve fase di riscaldamento.

Sembra fantascienza, ma è esattamente il principio alla base del Scaffolded DNA Computer (SDC) sviluppato da un gruppo di ricercatori della Maynooth University, in Irlanda, e descritto in uno studio pubblicato su Nature. Il sistema è stato utilizzato per eseguire programmi molecolari capaci di effettuare addizioni, moltiplicazioni, divisioni e altri calcoli, arrivando fino a elaborazioni con 100 bit di computazione. 

Non siamo davanti a un’alternativa a PC, smartphone o server. Le prestazioni sono ancora enormemente lontane da quelle dell’elettronica tradizionale. Il punto interessante è un altro: i ricercatori hanno dimostrato che è possibile progettare un sistema molecolare nel quale il calcolo emerge naturalmente dal raggiungimento di uno stato di equilibrio energeticamente favorito. Ed è proprio questo a rendere particolare il computer a DNA.

Cos’è un computer a DNA

Un computer a DNA è un sistema di calcolo nel quale l’informazione non viene elaborata attraverso correnti elettriche che attraversano transistor, ma attraverso interazioni chimiche tra molecole di DNA.

Il DNA è particolarmente interessante per questo tipo di applicazione perché i suoi filamenti possono riconoscersi e legarsi tra loro secondo regole precise. Le quattro basi — adenina, timina, citosina e guanina — permettono quindi di costruire sequenze che possono essere utilizzate per rappresentare informazioni e istruzioni.

L’idea del gruppo di Maynooth University è stata però diversa rispetto a molti precedenti esperimenti di DNA computing.

Invece di costringere il sistema a seguire una sequenza rigidamente controllata di reazioni, i ricercatori hanno progettato il materiale molecolare affinché la configurazione corrispondente alla risposta corretta fosse energeticamente più favorevole rispetto alle alternative.

In altre parole, il sistema tende naturalmente verso la soluzione. Lo studio pubblicato su Nature definisce proprio questo approccio thermodynamically favoured computation, cioè computazione termodinamicamente favorita. 

Come funziona il computer a DNA

Il cuore dell’SDC è un lungo filamento di DNA che funziona come una sorta di impalcatura molecolare, chiamata scaffold.

Su questa struttura sono presenti diverse posizioni alle quali possono legarsi filamenti di DNA più corti, chiamati compute strands o tile. Questi ultimi contengono le informazioni necessarie per eseguire il programma. La soluzione viene preparata con lo scaffold e con un insieme di questi filamenti. A questo punto arriva una fase fondamentale: il riscaldamento.

Dopo aver portato la miscela a una determinata temperatura, i ricercatori la raffreddano. Durante questo processo i filamenti di DNA iniziano a interagire, legarsi e sostituirsi tra loro.

La cosa importante è che non tutte le configurazioni hanno la stessa stabilità energetica. Quando due filamenti si legano nel modo corretto, la configurazione è favorita. Quando invece si verifica un’associazione incompatibile, questa presenta una penalizzazione energetica e può essere sostituita.

Il sistema continua quindi a esplorare configurazioni differenti fino a raggiungere quella energeticamente favorita, che rappresenta il risultato del calcolo. 

Il computer non deve essere alimentato continuamente

È probabilmente l’aspetto più sorprendente dell’esperimento, ma va spiegato correttamente. Dire che il computer a DNA funziona “senza energia” sarebbe sbagliato.

Il sistema richiede energia per essere preparato e avviato, in particolare attraverso il processo di riscaldamento e raffreddamento della soluzione; la differenza rispetto a un computer elettronico è ciò che succede dopo.

Una volta impostato il sistema, il calcolo può procedere sfruttando le dinamiche naturali di legame e sostituzione delle molecole, senza la necessità di fornire continuamente energia elettrica per mantenere in funzione un circuito.

È quindi più corretto parlare di assenza di alimentazione continua durante il calcolo, non di calcolo completamente privo di consumo energetico. Il principio è analogo, a livello concettuale, a quello di un sistema fisico che tende spontaneamente verso una configurazione più stabile.

Il risultato è scritto nell’equilibrio delle molecole

Questa è la parte più interessante dal punto di vista informatico. Nei computer tradizionali, un programma viene eseguito attraverso una sequenza di operazioni controllate. Il processore cambia continuamente lo stato dei propri circuiti e utilizza energia per eseguire le operazioni e mantenere il sistema lontano dall’equilibrio termodinamico.

Nel computer a DNA sviluppato a Maynooth, invece, l’obiettivo è quasi opposto. I ricercatori progettano il sistema in modo che lo stato finale corretto sia quello energeticamente più favorevole.

Il calcolo consiste quindi, in parte, nel lasciare che il sistema raggiunga quella configurazione; è una forma di computing molto diversa da quella che utilizziamo quotidianamente.

Lo studio mostra che questo principio può essere implementato in un sistema programmabile e non soltanto descritto a livello teorico. 

Che calcoli può fare?

Il prototipo non si limita a un singolo esempio dimostrativo; i ricercatori hanno sperimentato 10 programmi molecolari, tra cui operazioni di addizione, moltiplicazione per tre, divisione per due e rilevamento della parità.

Sono stati inoltre eseguiti calcoli con input binari fino a 50 bit e fino a 100 bit di computazione complessiva. Lo studio riporta più di 700 computazioni effettuate sperimentalmente.  Questo non significa che il computer sia capace di eseguire un’operazione a 100 bit alla velocità di una CPU moderna.

Significa che il sistema molecolare è riuscito a rappresentare ed elaborare informazioni di quella dimensione utilizzando la propria architettura chimica; è una differenza fondamentale.

Quanto è veloce un computer a DNA?

Qui emergono immediatamente i limiti del progetto; di fatto, i programmi più piccoli, i ricercatori sono riusciti a portare il tempo di calcolo fino a circa 30 secondi o un minutoattraverso procedure di annealing molto rapide. Per elaborazioni più grandi, invece, i tempi aumentano considerevolmente.

Uno degli esperimenti di scalabilità ha raggiunto una computazione su 25 posizioni in circa 14 ore; si parla di numeri enormemente più lenti rispetto a quelli di qualsiasi processore moderno.

Una semplice CPU può eseguire miliardi di operazioni al secondo. Un sistema molecolare che necessita di minuti o ore per completare determinati calcoli non può quindi essere considerato un concorrente dell’elettronica tradizionale.

Il valore dell’esperimento sta nell’aver dimostrato un nuovo modello di computazione, non nell’aver costruito un processore più veloce.

Il sistema può essere riutilizzato

Un’altra caratteristica interessante è la possibilità di rinnovare alcuni programmi senza dover ricostruire completamente il computer molecolare.

I ricercatori hanno dimostrato sistemi nei quali è possibile modificare l’input aggiungendo alcuni filamenti che sostituiscono quelli precedenti.

Tre programmi sono stati rinnovati rispettivamente 9, 24 e 25 volte, con cicli di circa 12 minuti, escluso il tempo necessario per aggiungere i nuovi input.  È un risultato importante perché la riutilizzabilità rappresenta uno dei problemi storici del molecular computing.

Un sistema che può essere programmato e riutilizzato è infatti molto più interessante di una reazione chimica che può essere eseguita una sola volta.

Perché usare il DNA per fare calcoli?

La domanda più naturale è: se abbiamo computer elettronici enormemente più veloci, perché dovremmo voler costruire un computer con il DNA? La risposta non è cercare un sostituto della CPU.

I computer molecolari potrebbero avere senso proprio in ambienti nei quali l’elettronica tradizionale è difficile da utilizzare.

Un sistema composto da DNA e molecole potrebbe, per esempio, essere integrato in contesti biologici o essere utilizzato per elaborare informazioni direttamente all’interno di ambienti molecolari. La stessa Maynooth University indica tra le possibili prospettive il calcolo a basso consumo, l’archiviazione dei dati a lungo termine e, in futuro, sistemi molecolari capaci di operare all’interno delle cellule, per esempio in applicazioni legate al rilevamento delle malattie.  Sono prospettive di ricerca, non applicazioni già disponibili.

Il vantaggio potrebbe essere l’efficienza energetica

Uno dei motivi per cui questo tipo di ricerca è interessante riguarda il consumo energetico dell’informatica moderna. I data center e i sistemi di intelligenza artificiale richiedono quantità sempre maggiori di energia. I ricercatori stanno quindi studiando architetture differenti da quelle elettroniche tradizionali.

Il computer a DNA affronta il problema da una prospettiva radicalmente diversa: invece di cercare di rendere più efficiente un transistor, cerca di eliminare la necessità di mantenere continuamente il sistema in uno stato attivo durante il calcolo.

L’energia necessaria viene utilizzata per preparare il sistema e modificare il suo paesaggio energetico; poi le molecole possono evolvere verso lo stato corretto; è questo il concetto alla base della computazione termodinamicamente favorita descritta nello studio. 

Non è ancora un computer da usare a casa

Nonostante il nome possa far pensare a una rivoluzione imminente, siamo ancora davanti a una tecnologia sperimentale. I tempi di elaborazione, la complessità della preparazione e le difficoltà legate alla scalabilità impediscono di immaginare oggi un computer a DNA capace di sostituire un PC, uno smartphone o un server.

Gli stessi ricercatori evidenziano che l’aumento delle dimensioni del sistema presenta ancora problemi pratici. La struttura molecolare deve essere progettata con attenzione e le caratteristiche energetiche dei diversi segmenti del DNA possono influenzare la velocità e l’affidabilità del calcolo. 

La ricerca dimostra però che il concetto può funzionare anche oltre gli esperimenti più piccoli.

Il futuro potrebbe essere dentro le cellule

Ed è probabilmente qui che il computer a DNA diventa davvero interessante. Un processore al silicio ha bisogno di un ambiente fisico progettato per l’elettronica. Un sistema molecolare, invece, può essere costruito utilizzando gli stessi materiali e principi che caratterizzano i sistemi biologici.

Il lavoro di Maynooth mostra che è possibile progettare DNA programmabile capace di elaborare informazioni attraverso il proprio comportamento termodinamico.

In futuro, principi simili potrebbero essere applicati anche ad altri sistemi molecolari, compresi RNA e proteine. Lo studio indica inoltre possibili applicazioni nella costruzione di sistemi di archiviazione dati e nell’utilizzo del DNA origami come piattaforma per strutture nanometriche controllate algoritmicamente. 

Non significa che avremo presto uno smartphone alimentato dal DNA. Significa qualcosa di più interessante: il concetto stesso di computer può essere separato dall’idea di transistor, corrente elettrica e processore.

Il computer a DNA di Maynooth è lento rispetto all’elettronica moderna, ma dimostra che un insieme di molecole può essere programmato per elaborare informazioni lasciando che sia la fisica del sistema a guidarlo verso la risposta.

Ed è proprio questa idea, più che la velocità del prototipo, a rendere la ricerca pubblicata su Nature particolarmente interessante.