calcolo molecolare

calcolo molecolare

càlcolo molecolare locuz. sost. m. – Area scientifica, in rapida evoluzione, nella quale la tecnologia elettronica si fonda sull'uso di DNA, biochimica e biologia molecolare, al posto del più tradizionale silicio; è detto anche DNA computing. Poiché i limiti delle attuali tecnologie elettroniche appaiono sempre più evidenti, sta emergendo la necessità di nuovi modelli di calcolo, basati su tecnologie alternative a quelle tradizionali e sempre più potenti. Visti i continui progressi del settore delle nanotecnologie, sembrano affermarsi soprattutto i modelli basati sull'infinitesimamente piccolo, come appunto il calcolo molecolare. Questa tecnica si basa sulla possibilità di scrivere, leggere ed elaborare dati utilizzando strumenti di calcolo estremamente miniaturizzati, ossia alcune particolari molecole, per es. le molecole di DNA. I fondamenti teorici risalgono al lavoro pionieristico di L.M. Adleman, che in un esperimento del 1994 ha dimostrato come utilizzare frammenti del DNA per risolvere efficientemente un’istanza del complesso problema teorico della ricerca di un cammino hamiltoniano in un grafo orientato, problema che è NP-completo e quindi ritenuto di difficile soluzione nei modelli di calcolo e nelle architetture di elaborazione tradizionali. L’idea fondamentale è stata quella di utilizzare le molecole del DNA per codificare il grafo e di eseguire le operazioni e i calcoli su tale grafo per mezzo di enzimi e di reazioni biochimiche. Più in dettaglio, il metodo utilizzato nell’esperimento si basa sulla rappresentazione dei nodi di un grafo mediante sottosequenze molecolari del DNA: combinando queste sottosequenze tramite opportune reazioni biochimiche, si riesce a descrivere, con modalità statistiche, l’insieme di tutti i cammini nel grafo. Utilizzando strumenti biochimici, Adleman è stato in grado di estrarre dai filamenti del DNA che descrivevano l’insieme dei cammini nel grafo la soluzione corretta del problema del cammino hamiltoniano. Questo primo esperimento di calcolo biomolecolare, e più in generale la possibilità di eseguire calcoli tradizionali attraverso l’utilizzo di strumenti molecolari, ha suscitato negli anni recenti molto interesse non soltanto nella comunità scientifica, ma anche nel mondo industriale, per le sue potenziali implicazioni economiche. Per meglio comprendere il modello di c. m. è importante tenere presente la struttura a doppia elica del DNA: in tale modello un filamento (strand) del DNA viene utilizzato per memorizzare i dati, mentre l’altro filamento come memoria di riserva (backup). Gli enzimi, invece, vengono utilizzati per ricercare, leggere e scrivere i dati contenuti nei filamenti del DNA. L’informazione su cui effettuare le operazioni viene di solito codificata in forma di soluzione chimica: se il DNA è in soluzione acquosa, i dati presenti nella soluzione trovano l’opportuno componente del DNA con cui legarsi. In tale processo, gli enzimi hanno il ruolo di favorire o rompere i legami tra i dati e componenti del DNA, e consentono quindi di scrivere, leggere e trasferire dati a livello molecolare, in maniera analoga a quanto avviene nei modelli di calcolo tradizionali. Dopo quello di Adleman, ulteriori esperimenti di c. m., svolti in gran parte da R. Lipton e altri ricercatori della Princeton University, hanno dimostrato come l’approccio di Adleman possa essere esteso anche ad altre classi di problemi. Negli anni, l’interesse verso il c. m. si è concentrato soprattutto sulla possibilità di eseguire ricerche, operazioni logiche e operazioni aritmetiche su grandi quantità di dati. Oggi si riescono a effettuare ricerche in un grammo di DNA in soluzione acquosa in un tempo limitato a pochissimi secondi: se sfruttate completamente, queste tecnologie sarebbero quindi in grado di effettuare ricerche in parallelo su moli di dati della dimensione di 108 terabyte in meno di tre secondi. La principale caratteristica del c. m., importante per le future applicazioni, risiede proprio nelle sue enormi potenzialità di parallelismo: esattamente come avviene nel caso degli elaboratori ad alte prestazioni attualmente utilizzati, un elaboratore molecolare sarebbe in grado di effettuare molte elaborazioni in parallelo e quindi di analizzare contemporaneamente molte soluzioni dello stesso problema. C’è però un’importante differenza con le tradizionali architetture di elaborazione, che è in grado di rendere il c. m. estremamente competitivo con le altre tecnologie: i frammenti di DNA utilizzabili in un procedimento di calcolo sono molto più piccoli e molto più numerosi – di svariati ordini di grandezza (approssimativamente 10²³) – delle tradizionali unità di elaborazione (CPU, Central processing unit) presenti negli attuali elaboratori elettronici ad alte prestazioni. Nonostante le enormi potenzialità e l’interesse suscitato dal c. m. rimangono però ancora molti aspetti e ostacoli che devono essere affrontati prima della possibile costruzione di un calcolatore basato su esso. Molti di questi sono relativi agli attuali limiti delle tecnologie biochimiche, che sembrano richiedere ulteriori progressi scientifici prima di poter essere sfruttate in un reale sistema di calcolo. Altri aspetti sono invece relativi alla realizzazione efficiente con tecnologie di biologia molecolare di alcune funzionalità tipiche delle architetture di elaborazione, per es. i sistemi di ingresso/uscita e il sistema di controllo.