La notizia non è passata inosservata da quando Science Magazine ha pubblicato pochi giorni fa il resoconto di un esperimento condotto dal team guidato da George Church della Harvard Medical School: siamo pronti per archiviare permanentemente le informazioni nella molecola del DNA?
Il precedente: il batterio artificiale di Craig Venter
Realizzare una molecola di DNA contenente una sequenza prescelta di basi azotate, in modo che possa codificare un messaggio non ereditato da una cellula-madre, è un'idea pionieristica ma, considerando la velocità con cui vengono raggiunti nuovi traguardi scientifici, resa realtà circa due anni fa da Craig Venter e dal suo team di ricerca, quando ha annunciato di aver costruito in laboratorio il genoma di un batterio e di aver inserito tra le basi azotate della sequenza nucleotidica, con un codice prestabilito, i nomi degli scienziati che avevano lavorato al progetto costato circa 40 milioni di dollari.
Commentando la notizia, Venter definì il "suo" batterio "la prima cellula ad avere un computer come genitore". La provocatoria ricerca di Venter ha rivelato alla comunità scientifica che è possibile manipolare con successo i genomi al di là delle tecniche oggi ampiamente utilizzate, e ha aperto interessanti scenari nell'applicazione biologica delle tecnologie esistenti che permettono di costruire in laboratorio specifiche sequenze geniche.
L'esperimento di Harvard
L'importanza del lavoro svolto dal team di George Church dimostra che è possibile conservare (artificialmente) nel DNA una quantità di informazioni molto maggiore rispetto a quella raggiunta da Venter: i ricercatori di Harvard hanno memorizzato sotto forma di DNA parte del libro "ReGenesis" scritto da Church (circa 53400 parole) - il cui tema principale è proprio quello della "biologia sintetica" - 11 immagini in formato di JPG ed un piccolo programma scritto in Javascript, per avvalorare la versatilità del "nuovo supporto" di archiviazione.
Il DNA e l'informazione
Il DNA (una sigla che sta per "acido desossiribonucleico") appartiene alla famiglia degli acidi nucleici, ed è un polimero organico, composto da monomeri chiamati nucleotidi.
Ogni nucleotide condivide la medesima struttura di base, essendo composto da un gruppo fosforico, da uno zucchero ciclico a cinque atomi di carbonio (desossiribosio) e da una base azotata.
Ciò che differenzia i nucleotidi tra loro è proprio la base azotata: normalmente nel DNA sono presenti solo quattro basi azotate, chiamate adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Il legame della base azotata con la molecola di desossiribosio costituisce un nucleoside, e il legame di quest'ultimo con un gruppo fosforico costituisce un nucleotide.
Ciascun nucleotide può legarsi attraverso il desossiribosio, con un altro nucleotide, agganciandosi al gruppo fosforico di quest'ultimo. In tal modo si realizza una catena di nucleotidi, che codifica per l'informazione trasportata dal DNA. Grazie ad un codice universale, interpretato da molecole che fungono da "adattatori" e che appartengono alla famiglia degli RNA, ad ogni tre nucleotidi viene associato in modo univoco un aminoacido ossia uno dei "mattoni" fondamentali delle proteine: in questo modo si spiega in come il DNA rappresenti la fonte delle informazioni che tutte le cellule di tutte le forme di vita usano per realizzare e mantenere la vita.
In definitiva, quindi, è la sequenza dei nucleotidi nella catena del DNA a determinare il messaggio che la molecola veicola.
DNA e sistema binario: cosa hanno in comune?
Un principio simile è utilizzato dai nostri calcolatori per conservare ed analizzare le informazioni. Come le cellule si esprimono con il linguaggio del DNA (che usa solo 4 "simboli", le basi azotate), così i calcolatori si esprimono con il linguaggio del sistema binario (che usa solo 2 simboli, lo zero e l'uno). Da questo punto di vista, gli "0" e gli "1" rappresentano i nucleotidi dei calcolatori, cioè rappresentano l'unità fondamentale dell'informazione nel mondo dei calcolatori.
Immagazzinare informazioni nel DNA è un po' come tradurre da una lingua a un'altra: se è noto l'equivalente binario di un'informazione, ad esempio una parola, tale dato può essere tradotto in nucleotidi fissando delle regole per la "traduzione" (in un senso e nell'altro).
A puro scopo dimostrativo, ecco come funzionerebbe il sistema: la parola "MegaLab.it" può essere convertita nel sistema binario con "01001101 01100101 01100111 01100001 01001100 01100001 01100010 00101110 01101001 01110100", e quindi (se A e C = 0, mentre T e G = 1) in nucleotidi con l'ipotetica sequenza "CGAATTCT AGGCATCT AGTCAGTT CGTCCACT CGAATTAC ATGCCACT AGTCAATC ACGATTTA CGTAGCAT ATGTCTAA".
In questo caso non è importante che la sequenza abbia "senso" per la conversione del messaggio in aminoacidi, dal momento che l'intento del processo è solo quello di usare la molecola di DNA per conservare informazioni dal significato arbitrario e non necessariamente biologico, e dal momento che nell'esperimento non sono state coinvolte cellule complete e viventi (fattore che potrebbe introdurre indesiderabili variabilità nel messaggio).
Come funziona il sistema?
I ricercatori hanno "compilato" al computer una sequenza di nucleotidi che traducesse la sequenza binaria di dati destinati ad essere "salvati" nel DNA, avendo dapprima stabilito che i nucleotidi A e C avrebbero codificato per "0", mentre T e G per "1".
Il successo dell'esperimento non consiste nell'aver sintetizzato un unico lunghissimo filamento di DNA costituito da una sequenza prestabilita di nucleotidi, ma nell'averlo organizzato in modo tale che possa essere realmente utile dal punto di vista del salvataggio, della ricerca e della lettura dei dati.
Il team di Harvard ha suddiviso le informazioni in piccoli frammenti di DNA, ciascuno contenente un numero di nucleotidi codificante per 96 bit (ogni bit è quindi codificato da un nucleotide), a cui è stata aggiunta una sequenza nucleotidica identificativa (una sorta di "etichetta" del frammento) di 19 bit in modo che possa essere collocata in modo univoco nel contesto del messaggio originario completo. Il tutto per un totale di circa 5,27 milioni di "0" ed "1" e quindi circa 54900 piccoli filamenti di DNA.
Anche in questo caso, l'analogia con la strategia utilizzata dai comuni dispositivi di archiviazione è evidente: in ogni hard disk è infatti disponibile un numero discreto di "spazi", chiamati "settori", che possono essere occupati ciascuno da una quantità discreta di informazione, ossia di bit.
Sintetizzati tutti i frammenti di DNA, il team ha predisposto un sistema simile ad una stampante a getto di inchiostro per fissare ogni frammento di informazione su un supporto, chiamato "microarray chip". In questo modo, ogni frammento viene conservato separato dagli altri, sebbene non mantenendo necessariamente in ordine il messaggio codificato.
Il microarray è stato quindi conservato in condizioni controllate (4° C) per circa tre mesi, per poi essere testato.
Il sequenziamento delle molecole
Il test consiste chiaramente nella lettura della sequenza dei nucleotidi per ricavare il codice binario dell'informazione conservata.
In gergo tecnico, la lettura della sequenza nucleotidica di un filamento di DNA è detta "sequenziamento", ed è un processo che può essere eseguito mediante diverse tecniche.
Naturalmente esula dalla scopo di questo articolo illustrare i principi alla base delle più moderne tecniche di sequenziamento, ma è rilevante notare che attualmente queste tecnologie, insieme a quelle che permettono la sintesi chimica del DNA, sono nel pieno di un interessante sviluppo e probabilmente permetteranno nel giro di qualche anno di sequenziare grandi quantità di DNA in tempi contenuti e con costi ancora più bassi di oggi.
I ricercatori hanno ripetuto il processo di sequenziamento circa tremila volte su ogni frammento, e i dati tradotti sono stati interpretati e riorganizzati da un computer anche grazie alla presenza del "label" identificativo di 19 bit.
Le tecniche di sequenziamento si basano comunemente su reazioni chimiche e sulla rilevazione della fluorescenza emessa da molecole traccianti associate in modo specifico ai diversi nucleotidi, per cui un certo grado di errore è da considerare. Nonostante questo, il team di Harvard - grazie al fatto che le sequenze sono state "lette" più e più volte - ha ridotto gli errori a soli 10 bit su 5,27 milioni.
Conclusioni
Per via delle intrinseche limitazioni tecniche nelle attuali tecnologie di sintesi e di sequenziamento, non è possibile applicare questi risultati - almeno per il momento - a dati che necessitano di essere aggiornati nel tempo. Attualmente il processo di sintesi della molecola non è in grado di eguagliare neppure lontanamente le velocità raggiunte dalle cellule in vivo, e necessita di tempi abbastanza lunghi. Allo stesso modo, sebbene avanzate, le tecniche di sequenziamento sono solo limitatamente ripetibili, e comunque in genere previa "amplificazione" del materiale da analizzare.
D'altra parte potrebbe essere una soluzione molto interessante per conservare quantità spropositate di dati per un periodo indefinito.
È nota infatti la stabilità e la resistenza del DNA anche in condizioni non ordinarie: in molti casi è stato possibile sequenziare frammenti di genoma prelevati da mummie o da altri resti anche a distanza di migliaia di anni.
Nonostante questi risultati estremi, il DNA tende naturalmente a degradarsi se conservato in condizioni anomale; tuttavia c'è da chiedersi quante centinaia o migliaia di anni potrebbe resistere la molecola se conservata in condizioni controllate!
Inoltre, una certa quantità di DNA può contenere facilmente e senza dispendio energetico una mole incredibile di informazioni se rapportate al peso del campione. È stato infatti stimato che un solo grammo di DNA possa contenere le informazioni raccolte in 100 milioni di DVD.
Non è da escludere a priori che in un futuro non troppo lontano sia disponibile una tecnologia che permetta di "salvare" e "leggere" rapidamente le molecole di DNA, e magari anche modificarle in punti specifici.
Affidare la memoria del genere umano a questa molecola potrebbe avere implicazioni inimmaginabili... oltre rappresentare uno spunto per un nuovo filone di romanzi fantascientifici.
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