Un sistema sviluppato alla Maynooth University utilizza molecole di DNA per eseguire operazioni matematiche e logiche sfruttando interazioni molecolari ed equilibrio termodinamico
La ricerca offre nuove prospettive per il calcolo molecolare e invita a ripensare un’idea apparentemente ovvia: un computer deve necessariamente essere una macchina elettronica ?
Quando pensiamo a un computer immaginiamo processori di silicio, transistor, circuiti elettronici e memorie digitali. Anche l’intelligenza artificiale più avanzata, nonostante l’apparente immaterialità degli algoritmi, continua a dipendere da infrastrutture fisiche nelle quali miliardi di transistor eseguono operazioni attraverso segnali elettrici. Ma il calcolo non appartiene necessariamente all’elettronica.
Un gruppo di ricercatori della Maynooth University, in Irlanda, ha mostrato una possibilità radicalmente diversa: utilizzare molecole di DNA come componenti di un computer programmabile. Il sistema, descritto sulla rivista Nature, non è semplicemente un dispositivo per immagazzinare informazioni nel DNA. È capace di eseguire operazioni computazionali attraverso le interazioni fisiche tra molecole. Il risultato introduce una domanda che attraversa informatica, fisica e biologia: che cosa significa realmente calcolare ?
Un computer senza transistor
Il sistema è stato chiamato Scaffolded DNA Computer, SDC. La sua struttura fondamentale utilizza un lungo filamento di DNA che funziona come una sorta di impalcatura molecolare, lo scaffold. Altri filamenti più piccoli possono legarsi in posizioni determinate lungo questa struttura.
La particolarità è che questi piccoli segmenti non vengono utilizzati semplicemente per conservare informazioni. Sono progettati affinché le loro interazioni rappresentino le regole di un programma.
Filamenti differenti competono per legarsi allo scaffold. La configurazione molecolare che emerge alla fine del processo rappresenta il risultato del calcolo.
I ricercatori hanno dimostrato il funzionamento del sistema attraverso dieci differenti programmi, comprendenti moltiplicazioni per tre, divisioni per due, riconoscimento della parità di sequenze a otto bit e addizioni di numeri fino a 25 bit. Una delle dimostrazioni ha raggiunto una computazione complessiva di 100 bit.
Nel complesso sono state eseguite più di 700 computazioni sperimentali. Non siamo quindi davanti a una semplice simulazione teorica del DNA computing, ma a un sistema molecolare fisicamente realizzato e programmabile.
Calcolare andando verso l’equilibrio
L’aspetto forse più affascinante della ricerca non riguarda però il materiale utilizzato, ma il principio attraverso cui avviene il calcolo. I computer tradizionali funzionano mantenendo continuamente il sistema lontano dall’equilibrio. Occorre fornire energia, controllare gli stati, impedire errori e conservare determinate configurazioni fisiche.
Anche gli organismi viventi funzionano lontano dall’equilibrio termodinamico. Le cellule consumano continuamente energia per mantenere la propria organizzazione. Il computer molecolare sviluppato dai ricercatori irlandesi segue invece un principio differente: il risultato corretto viene progettato affinché corrisponda allo stato energeticamente favorito del sistema.
In termini intuitivi, è come costruire un paesaggio nel quale una pallina lasciata libera di muoversi finisca spontaneamente nella valle corrispondente alla soluzione.
Nel DNA computer non c’è naturalmente una pallina. Ci sono molecole che si legano e si separano seguendo le leggi della chimica e della termodinamica. Ma il principio è analogo: l’architettura molecolare viene progettata affinché il sistema tenda verso la configurazione che rappresenta la risposta corretta. Il calcolo avviene, in un certo senso, scendendo verso l’equilibrio.
La materia che calcola
Questo cambia anche il modo di pensare il rapporto tra informazione e materia. In un computer elettronico distinguiamo intuitivamente hardware e software. Il programma viene rappresentato attraverso informazioni elaborate da una macchina fisica.
Nel calcolo molecolare la separazione appare meno evidente. Forma delle molecole, energia dei legami, concentrazioni e probabilità di interazione diventano contemporaneamente struttura fisica e parte del processo computazionale.
Non significa che una molecola di DNA sia di per sé un computer. Il DNA diventa un mezzo di calcolo perché i ricercatori progettano le sequenze e le loro possibili interazioni in modo che determinati stati fisici corrispondano a informazioni e operazioni logiche.
Il punto fondamentale è però un altro: il calcolo può essere implementato attraverso substrati fisici profondamente differenti. Il silicio è straordinariamente efficace, ma non rappresenta l’unica materia nella quale può esistere una computazione.
Dal codice genetico al codice informatico
La scelta del DNA possiede inoltre una particolare suggestione perché questa molecola svolge già in natura una funzione fondamentale nella conservazione e trasmissione dell’informazione biologica. Bisogna tuttavia evitare un’equivalenza troppo semplice.
Il DNA presente nelle cellule non è un software nel significato ordinario del termine e la cellula non è semplicemente un computer biologico. Le metafore informatiche sono utili per descrivere alcuni aspetti della biologia molecolare, ma rischiano di nascondere la complessità dei sistemi viventi quando vengono interpretate letteralmente.
Nel nuovo esperimento, invece, le proprietà del DNA vengono deliberatamente ingegnerizzate per costruire un sistema computazionale. È quindi l’uomo a trasformare una molecola biologica in un mezzo attraverso il quale rappresentare ed eseguire algoritmi.
Un computer molto diverso dal nostro laptop
Non siamo naturalmente davanti al possibile sostituto immediato dei processori utilizzati nei computer personali o nei data center. Le prestazioni devono essere interpretate nella scala appropriata. Alcune piccole computazioni del sistema possono concludersi in meno di un minuto, mentre problemi più complessi richiedono tempi molto maggiori. I processori elettronici rimangono enormemente superiori per la maggior parte delle applicazioni informatiche convenzionali.
Il valore della ricerca si trova altrove. Il sistema ha dimostrato caratteristiche importanti: è programmabile, può essere riutilizzato modificando gli input, non richiede alcune delle complesse procedure di correzione degli errori tipiche di precedenti sistemi molecolari e può essere esteso verso computazioni più grandi.
Tre programmi sperimentali sono stati riutilizzati rispettivamente 9, 24 e 25 volte. Le prospettive comprendono anche l’integrazione tra calcolo molecolare e archiviazione dei dati nel DNA, la realizzazione di nanostrutture capaci di modificarsi attraverso processi computazionali e, in prospettiva, sistemi in grado di operare in ambienti biologici.
Il computer potrebbe diventare parte della materia ?
È probabilmente questa la conseguenza concettualmente più interessante. Per decenni abbiamo miniaturizzato il computer: dalle grandi macchine a valvole ai transistor, dai circuiti integrati ai microprocessori contenenti miliardi di componenti.
Il DNA computing suggerisce una strada differente. Non soltanto costruire computer elettronici sempre più piccoli, ma trasferire il principio stesso della computazione dentro altri sistemi fisici. Una struttura molecolare potrebbe contemporaneamente contenere informazioni, elaborarle e modificare la propria configurazione in funzione del risultato.
Questo potrebbe diventare particolarmente interessante nella medicina e nella biologia sintetica. In linea teorica, sistemi molecolari potrebbero rilevare determinate condizioni biologiche, elaborare segnali e produrre una risposta senza dover prima trasmettere i dati a un computer elettronico esterno. La distanza fra informazione e materia diventerebbe allora ancora più labile.
Che cos’è davvero un computer ?
La ricerca della Maynooth University permette infine di tornare alla domanda iniziale. Un computer non è necessariamente una scatola contenente un processore. In termini più generali è un sistema fisico nel quale determinati stati possono rappresentare informazioni e determinate trasformazioni possono realizzare operazioni su quelle informazioni.
Il transistor costituisce una possibile implementazione di questo principio. Le molecole possono costituirne un’altra. Da questa prospettiva, la storia dell’informatica appare come parte di una questione molto più ampia: quali processi fisici possono essere trasformati in computazione ?
E la domanda diventa ancora più interessante se la estendiamo alla natura. Sistemi biologici elaborano continuamente segnali, reagiscono all’ambiente, conservano informazione, correggono errori e modificano il proprio comportamento. Ciò non significa che ogni processo naturale debba essere definito “calcolo”, né che la vita possa essere ridotta a un algoritmo.
Significa però che il confine tra fisica, biologia e informazione è molto meno netto di quanto l’immagine tradizionale del computer possa suggerire. Il risultato pubblicato su Nature non annuncia quindi la fine del silicio. Mostra qualcosa di scientificamente più interessante: la computazione non appartiene a una particolare macchina.
Possiamo costruirla utilizzando elettroni, molecole e interazioni fisiche profondamente differenti. In questo caso, miliardi di molecole immerse in una piccola quantità di liquido possono organizzarsi seguendo le leggi della termodinamica fino a far emergere il risultato di un algoritmo. Il computer, allora, potrebbe essere molto meno simile a un oggetto e molto più simile a un processo fisico organizzato per trasformare informazione.
Fonte : Nature – paper scientifico originale, A thermodynamically favoured molecular computer, pubblicato il 16 settembre 2026, autori Tristan Stérin, Abeer Eshra, Constantine Evans, Janet Adio e Damien Woods.
Immagine: creazione originale realizzata con IA.
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