Circuiti DNA fanno operazioni matematiche in provetta

Spesso descritto come il modello della vita, il DNA contiene le istruzioni attraverso le quali generare ogni cosa vivente da un essere umano ad una mosca.

Negli ultimi decenni, alcuni ricercatori stanno cercando di usare le lettere del codice genetico per uno scopo diverso: realizzare minuscoli computer su scala nanometrica.

In un nuovo studio, un team della Duke University guidato dal professor John Reif, ha creato filamenti di DNA sintetico che, mescolati insieme in una provetta nelle giuste concentrazioni, formano un circuito analogico che può aggiungere, sottrarre e moltiplicare utilizzando il crearsi e il rompersi dei legami.

In luogo della tensione elettrica, i circuiti di DNA usano le concentrazioni di specifici filamenti di DNA come segnali.

Altri team di ricerca hanno progettato circuiti basati sul DNA in grado di risolvere problemi che vanno da calcolare radici quadrate fino a giocare a tic-tac-toe. Ma la maggior parte dei circuiti basati su DNA sono digitali, cioè l’informazione è codificata come una sequenza di zero e di uno.

Diversamente, il nuovo dispositivo della realizzato presso la Duke University esegue i calcoli in modo analogico misurando le concentrazioni variabili di specifiche molecole di DNA direttamente, senza la necessità di circuiti speciali per convertirli ex ante in zero ed uno.

I ricercatori descrivono il loro approccio nel numero di agosto della rivista ACS Synthetic Biology.

A differenza dei circuiti basati sul silicio utilizzati nella maggior parte dell’elettronica moderna, le applicazioni commerciali di circuiti DNA sono ancora molto lontani dall’essere utilizzabili per scopi pratici, sostiene Reif.

Innanzitutto, i calcoli in provetta sono lenti. Possono volerci ore per una sola operazione.

“Siamo in grado di fare un po ‘di elaborazione limitata, ma non possiamo nemmeno cominciare a pensare di competere con i PC moderni o altri dispositivi di elaborazione tradizionali”, ha detto Reif.

Il grande vantaggio è che però i circuiti DNA possono essere molto più piccoli di quelli in silicio. A differenza dei circuiti elettronici, i circuiti DNA lavorano in ambienti umidi e questa caratteristica potrebbe renderli utilizzabili,ad esempio, all’interno del flusso sanguigno oppure in spazi ristretti di una cellula.

La tecnologia sfrutta la capacità naturale del DNA di comprimere e decomprimere per eseguire calcoli. Proprio come il velcro e i magneti hanno ganci o poli complementari, le basi nucleotidiche del DNA combaciano e si legano in modo prevedibile.

I ricercatori hanno prima creato piccoli pezzi di DNA sintetico, qualche singolo filamento e qualche doppio filamento con estremità a singolo filamento, infine li hanno mescolati in una provetta.

Quando un singolo filamento incontra una perfetta corrispondenza alla fine di uno di quelli parzialmente a doppio filamento, si attacca e si lega, spostando il filamento precedentemente legato e causandone il distaccamento.

Il filamento appena rilasciato può a sua volta legarsi con altre molecole di DNA complementari a valle nel circuito, creando un effetto domino.

I ricercatori risolvono problemi matematici misurando le concentrazioni di specifici filamenti in uscita appena la reazione raggiunge l’equilibrio.

Oltre ad addizione, sottrazione e moltiplicazione, i ricercatori stanno anche lavorando a più sofisticati circuiti analogici di DNA in grado di eseguire una più ampia gamma di calcoli, come logaritmi ed esponenziali.

I circuiti analogici, inoltre, sono anche più adatti per il rilevamento di segnali che non si prestano ad essere descritti da un semplice on-off, come, ad esempio, valori biometrici e misure fisiologiche coinvolte nella diagnosi e nel trattamento delle malattie.

La speranza è che, in un lontano futuro, tali dispositivi possono essere programmati per percepire se particolari sostanze chimiche nel sangue si trovano all’interno o all’esterno del campo di valori considerati normali, e rilasciare un DNA specifico o RNA (cugino chimico del DNA) che svolga una funzione farmacologica.

Il laboratorio di Reif sta anche iniziando a lavorare su dispositivi basati sul DNA che potrebbero rilevare le firme molecolari di particolari tipi di cellule tumorali, e rilasciare sostanze che stimolano il sistema immunitario a reagire.

“Anche un DNA computing molto basilare potrebbe avere enormi impatti nel campo della medicina e della scienza in generale” ha detto Reif.

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Articolo originale: cs.duke.edu