domenica, Maggio 26, 2019
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DNA d’autore

Ovvero, come sfruttare un innovativo tool concepito da un team di ricercatori del MIT per convertire un disegno qualunque in una complessa struttura biologica, da sfruttare per applicazioni di importanza cruciale per la scienza medica e l'informatica.

Disegnatori di DNA cercasi, anche di modeste capacità grafiche. Non è una battuta o un annuncio surreale tratto da un romanzo di fantascienza, bensì un possibile sviluppo di una scoperta di un team di ricerca del MIT e dell’Arizona State University. Gli scienziati, infatti, hanno approntato un algoritmo che consente di disegnare in modo rudimentale delle figure piane, convertendole poi in nanostrutture di DNA della stessa forma delle figure. In altri termini, questo strumento innovativo consente di scrivere, o meglio, disegnare col DNA, anche ad un non addetto ai lavori.

Crediti immagine: Hyungmin Jun

Lo strumento, denominato PERDIX (Programmed Eulerian Routing for DNA Design using X-overs), è stato anche messo a disposizione gratuitamente sul web, per chi intendesse provarne l’interfaccia.

Da uno schizzo approssimativo ad una struttura biologica complessa

Come funziona PERDIX? In pratica, si tratta di un sistema che automatizza la parte più complessa della realizzazione delle strutture di DNA, incaricandosi della sua esecuzione, e lasciando invece il compito semplice a chi inserisce le forme di disegnare a mano libera, senza necessità di alcuna speciale abilità.

L’algoritmo è munito di una sorta di interprete, in grado di leggere le linee dello schizzo manuale, e manipolare filamenti di materiale biologico, sfruttandone le proprietà, fino a replicare la forma proposta in ingresso dall’utente. Più precisamente, le fasi del processo sono tre: dapprima una geometria arbitraria, sia ad unico contorno che più complessa, viene realizzata a mano.

Successivamente, l’algoritmo ne legge le linee, ed è in grado di realizzare una struttura virtuale che tiene conto delle caratteristiche fisiche e biologiche dei filamenti di DNA, in cui gli angoli tra rami della figura stessa e i bordi vengono costruiti mediante complessi meccanismi di accoppiamento e incrocio, esattamente come se si trattasse di vero materiale biologico.

La terza ed ultima fase consiste nel considerare il file contenente la rappresentazione digitale dell’intreccio virtuale di filamenti e sintetizzare un oggetto reale in 2D o 3D che replica esattamente la forma desiderata, utilizzando un processo termico, una sorta di cottura, per assemblare le parti.

Molto più che un origami

Quali sono le applicazioni di uno strumento così innovativo? Molto più che la mera realizzazione di strutture di DNA di forma arbitraria, eseguita con la maestria di un raffinato origamista, per finalità artistiche o estetiche.

Infatti, grazie a questa capacità di disegnare coi filamenti con grande precisione, i ricercatori hanno messo a disposizione della scienza medica un sistema in grado di assemblare alle terminazioni della struttura specifiche molecole di varia tipologia, in posizioni ben determinate: un caso particolarmente interessante è l’utilizzo delle impalcature di DNA per “incollare” antigeni, ovvero sostanze che l’organismo può riconoscere come potenzialmente pericolose, che possono essere identificate nei virus e nei batteri. Modulando la disposizione di tali antigeni, in modo da replicare la loro forma caratteristica, è possibile stimolare le cellule del sistema immunitario per determinare che tipo di reazione abbiano, e comprenderne quindi più a fondo i meccanismi, accelerando l’acquisizione di conoscenza necessaria a sviluppare cure e vaccini contro specifiche aggressioni virali o batteriche.

La via verso il computer quantistico biologico

C’è di più: è possibile collegare a una struttura planare o tridimensionale di DNA coloranti biologici noti come cromofori, in modo tale da munire la struttura stessa di una capacità di assorbimento della luce simile a quella delle piante, ed inoltre sfruttarla per realizzare, mediante meccanismi naturali, una capacità di calcolo basata su principi quantistici, ottenuta a temperatura ambiente. Un modo brillante e rivoluzionario, quest’ultimo, per aggirare le tradizionali difficoltà tecnologiche nell’implementazione dei quantum computer, come ad esempio la necessità di temperature estremamente basse.

Un sofisticato autodraw con inchiostro genetico

Un modo semplificato per comprendere la complessità che sta dietro alla realizzazione di PERDIX è divertirsi a fare qualche esperimento con Autodraw, un tool di Google che traduce un disegno rudimentale in figure complesse ed articolate, proponendo anche diverse alternative per intercettare il target, ossia la reale forma che l’utente intendeva disegnare. Fatta salva la ben maggiore complessità (legata principalmente al coinvolgimento di sofisticati processi biologici) si tratta di un principio simile a quello del rivoluzionario strumento del MIT, che però, appunto,non si limita a disegnare forme, ma consente di realizzarle fisicamente usando il DNA come “inchiostro”.


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Pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.   

Gianpiero Negri
Laureato in Ingegneria Elettronica, un master CNR in meccatronica e robotica e uno in sicurezza funzionale di macchine industriali. Si occupa di ricerca, sviluppo e innovazione di funzioni meccatroniche di sicurezza presso una grande multinazionale del settore automotive. Membro di comitati scientifici (SPS Italia) e di commissioni tecniche ISO, è esperto scientifico del MIUR e della European Commission e revisore di riviste scientifiche internazionali (IEEE Computer society). Sta seguendo attualmente un corso dottorato in matematica e fisica applicata. Appassionato di scienza, tecnologia, in particolare meccatronica, robotica, intelligenza artificiale e matematica applicata, letteratura, cinema e divulgazione scientifica, scrive per Oggiscienza dal 2015.

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