Metti il DNA dentro al computer. L'idea non è nuova, ma gli esperimenti che stà conducendo Ehud Shapiro, del Biological Nanocomputers Laboratory del Wiezmann Institute of Science di Rehovot, Israele, potrebbero costituire un importante passo in avanti verso i computer biologici del prossimo futuro.

Nativo di Gerusalemme, dottore in Informatica a Yale – dove inventò un algoritmo che ricalcava l'approccio filosofico di Karl Popper alla scoperta scientifica – imprenditore dotcom (la sua Ubique Ltd. Ha prodotto il software precursore degli odierni sistemi di Instant Messaging rivenduto poi alla IBM), biologo molecolare autodidatta, Shapiro è entrato nel Guinness dei Primati 2004 per le ridottissime dimensioni del suo prototipo di nanocomputer, invisibili all'occhio umano: qualche nanometro ( per rendere l'idea, una goccia può contenere qualcosa come mille miliardi di nanometri).

Il nanocomputer di Shapiro, che è stato descritto sulla rivista Nature e sui Proceedings of The National Academy of Science nel 2003, sfrutta le caratteristiche di oltre mille miliardi di filamenti di DNA all'interno di una soluzione con alcuni enzimi particolari detti Fokl. Il sistema sfrutta le capacità delle quattro basi del DNA (A,G,C,T) di codificare informazioni.

Mentre i calcolatori che oggi vengono comunemente utilizzati si basano sul modello matematico elaborato da John Von Neumann negli anni '40, modello che impiega programmi e dati immagazzinati in memoria sotto forma di parole numeriche binarie, il computer biologico di Shapiro è una versione semplificata della macchina teorica di Alan Turing, un altro dei padri della moderna computer science, che invece di elaborare simboli numerici processa fisicamente le lettere chimiche del DNA.

Il sistema usa una molecola per i dati di ingresso, una per i programmi software, che li elaborano, e una per l'hardware, che esegue fisicamente le computazioni, restituendo in uscita una molecola “processata”. Le molecole per i dati di ingresso e per il software sono di DNA, quelle hardware sono costituite da enzimi Fokl. Il tutto è immerso in una soluzione acquosa salina che permette il funzionamento degli enzimi.

Un ciclo standard prevede dunque: una molecola di DNA in ingresso che andrà a cercare, tra le molecole software, quella complementare (le due molecole si appaieranno grazie al processo detto di ibridazione); subito dopo entrerà in gioco l'enzima che taglierà la struttura in un punto specifico (la molecola input tagliata si appaierà ad un'altra molecola software complementare al suo nuovo stato); poi di nuovo entrerà in gioco l'enzima che provvederà ad un ulteriore taglio, e così via, fino a generare una molecola di uscita che rappresenterà il risultato dei calcoli e delle elaborazioni. Un vero e proprio processo di “taglia e incolla” bioinformatico.

L'applicazione principale di tale sistema sarà nel campo della “farmacogenomica” o “farmacologia intelligente”. Il computer al DNA sarà cioè in grado di rispondere a determinati input biologici fornendo automaticamente diagnosi e, in caso di malattie, somministrando prontamente la cura.

Nel caso di sequenze genetiche anomale associate a patologie come il cancro, ad esempio, nel qual caso si tratterebbe non di DNA ma di RNA messaggero, ovvero la sequenza di basi che codificano le istruzioni per far sintetizzare al DNA una determinata proteina, il computer biologico elaborerà la formula del farmaco relativo alla possibile cura. “Il sistema rilascia dei frammenti di DNA”, spiega Shapiro, “che costituiscono la base dei cosiddetti farmaci ‘anti-senso’, che agiscono sull'RNA messaggero in modo da pilotare la sintesi di determinate proteine”.

Quello dei “marker” patologici è un approccio già impiegato nei sistemi avanzati di diagnostica computerizzata che sfruttano i DNA chip, o microarrays, sfruttati anche dal sistema di Shapiro. La vera novità dunque non consiste tanto nel modo in cui il computer riconosce la malattia, quanto nel modo in cui sintetizza la possibile cura, da somministrare direttamente nel corpo del paziente, in modo del tutto automatico. Differenziandosi dagli attuali “Lab-Assisted Molecular Computers”, che dipendono in più o meno larga misura dall’intervento umano.

“L'altra sostanziale novità riguarda la fonte di energia impiegata”, continua Shapiro, “dato che il nostro sistema sfrutta l'energia liberata dai tagli enzimatici. Tutti gli attuali modelli di DNA computer richiedono invece l'aggiunta di molecole ATP, un carburante cellulare molto diffuso”. Ciò che ancora manca al prototipo di Shapiro, che finora ha lavorato in vitro, è l'effettiva prova “dal vivo”. Bisogna cioè ancora sperimentarne l'uso all'interno del corpo dei pazienti, dove subentreranno altri fattori: proteine, doppie e singole eliche, lipidi, polisaccaridi, che potrebbero interferire con le computazioni biologiche, cn il rischio di provocare danni cellulari.

FANTASTIC VOYAGE

Il computer al DNA di Shapiro si và dunque ad aggiungere a tutta una serie di soluzioni rivoluzionarie ancora in fase di sperimentazione che promettono la cura per ogni male.

Le nano-sonde, i nano-robot, le nano-pillole o “magic-bullet”, ad esempio, tutti dispositivi molecolari capaci di navigare nel flusso sanguigno, di scovare le cellule ammalate, fra migliaia di cellule sane, di agganciarle e di distruggerle. Il riconoscimento avviene grazie a una sorta di radar molecolare che intercetta specifici recettori proteici presenti sulla cellula malata. Una volta sul bersaglio possono agire in maniera diversa, ad esempio liberando determinate sostanze, come gli enzimi dell’apoptosi, che provocano la morte della cellula.

All'Università di Genova, il gruppo di Alberto Diaspro sta studiando una sorta di guscio che racchiude un microambiente dove gli acidi nucleici possono produrre proteine antitumorali. Un'altra strategia è allo studio al Memorial Sloan Kettering di New York, mentre, a Milano, l'Istituto Europeo di Oncologia sfrutta un nano-generatore di radioattività: in questo caso, il nano-robot veicola atomi radioattivi che, una volta penetrati nella cellula tumorale, liberano particelle ad elevato potere distruttivo. Più recentemente, ricercatori della Rice University hanno sviluppato una nuova tecnica per combattere il cancro mediante “nanoshells”, nanoparticelle multistrato dorate capaci, insieme con un lasewr, di scovare ed eliminare le cellule cancerose.

Da non dimenticare poi la nano-chirurgia, ultrainvisibile e superprecisa, dove il bisturi è un raggio laser e il campo operatorio è una singola cellula. Eric Mazur, all'Università di Harvard, e Chikashi Nakamura, biologo cellulare al National Institute of Advanced Industrial Science and Technology di Hyogo, in Giapppone, sono riusciti a distruggere piccole parti di una cellula, lasciando tutto il resto intatto. Operando con precisione nanometrica.

Istituzioni scientifiche citate nell'articolo:

Weizmann Institute of Science

Memorial Sloan Kettering

Istituto Europeo di Oncologia

Università di Harvard

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Rice University

E-mail: Alessio Mannucci