Architetture fungine e batteri logici

Fungal architectures and bacterial logic

La biocomputazione si trova all’incrocio tra l’informatica, la biologia e l’ingegneria. I ricercatori del campo cercano di sfruttare le qualità molecolari e chimiche inherentemente presenti nei materiali biologici, tra cui i microorganismi come i batteri e i funghi e i componenti cellulari come il DNA, per avanzare nell’ambito dell’informatica. Le applicazioni dimostrate e potenziali includono l’esecuzione di compiti computazionali, lo storage e il recupero dei dati e la costruzione di hardware innovativi.

I sostenitori sostengono che la biocomputazione ha vantaggi rispetto ai metodi elettronici convenzionali. Ad esempio, la tecnologia non si basa su microchip al silicio che si riscaldano rapidamente, rendendola più efficiente dal punto di vista energetico, e molti materiali viventi hanno la capacità utile di autoripararsi.

Le origini della biocomputazione risalgono agli anni ’90, quando il vincitore del premio Turing e informatico Leonard Adleman ha dimostrato che le molecole di DNA possono essere codificate per svolgere compiti computazionali. Gli sviluppi recenti in biologia sintetica e nanobiologia hanno avanzato il campo consentendo la manipolazione di materiali biologici su scala nanometrica. Gli avvenimenti innovativi stanno accadendo globalmente e vanno dalle funzionalità guidate dai batteri al lavoro in corso su tecnologie potenzialmente rivoluzionarie basate sul micelio fungino e sulle cellule cerebrali umane.

Dispositivi batterici

• Vetro di qualità ottica stampato in 3D a livello nanometrico
• Il cane robotico individua i nidi invasivi di formiche rosse meglio degli esseri umani.
• L’avanzamento del calcolo quantistico inaugura una nuova era, afferma IBM.

I batteri sono microorganismi che presentano comportamenti, come l’espressione genica e il quorum sensing, un tipo di comunicazione chimica, che possono essere geneticamente modificati per svolgere compiti computazionali.

Sangram Bagh e Rajkamal Srivastav, biofisici presso l’Istituto di fisica nucleare Saha a Kolkata, in India, hanno sviluppato un doppio cancello di Feynman logicamente reversibile utilizzando batteri ingegnerizzati molecolarmente in un’architettura di rete neurale artificiale (ANN). Il loro cancello logico di Feynman doppio di 3 input-3 output utilizzando cellule di E. coli non patologiche ingegnerizzate in laboratorio è, secondo i ricercatori, la prima realizzazione di un cancello di Feynman doppio utilizzando cellule vive.

Bagh e Srivastav hanno sviluppato “dispositivi cellulari” creando reti genetiche sintetiche all’interno di E. coli e costruendo un’architettura a singolo strato di tipo rete artificiale con i batteri ingegnerizzati, che descrivono come ‘bactoneuroni’. I cancelli di Feynman doppi sono stati generati quando i bactoneuroni sono stati disposti in questa architettura. I segnali di input dei dispositivi cellulari sono stati prodotti utilizzando sostanze chimiche extracellulari, spiega Bagh; “Questo segnale di input è come uno zero o uno. È presente o non presente, e poi si ottiene un output.” L’output in questo caso è l’espressione di tre proteine fluorescenti.

Altre soluzioni di biocomputazione guidate dai batteri stanno emergendo: un team dell’Istituto Walton e dell’Istituto Nazionale Tyndall in Irlanda e dell’Università di Essex nel Regno Unito, hanno proposto la Computazione molecolare batterica su un chip (BMCoC) utilizzando tecnologie di sensing microfluidiche ed elettrochimiche. I ricercatori del Centro Nacional de Biotecnología (CSIC) e dell’Università Complutense di Madrid (UCM) in Spagna e dell’Università Diego Portales di Santiago, in Cile, hanno dimostrato “la possibilità” di programmare i batteri sintetici utilizzando una rete neurale perceptron. Nel laboratorio di Oliveira della Boston University, i ricercatori stanno sviluppando comunità microbiche programmabili incorporate in dispositivi microfluidici.

I batteri sono unicellulari e microscopici, ma alcuni esperimenti di biocomputazione si basano su strutture viventi più complesse.

Substrati fungini

I ricercatori del Laboratorio di calcolo non convenzionale (UCL) dell’Università dell’ovest dell’Inghilterra nel Regno Unito, dell’Università di Utrecht nei Paesi Bassi, del Centro per la tecnologia dell’informazione e l’architettura (CITA) della Royal Danish Academy in Danimarca e dell’organizzazione italiana di tecnologie basate sul micelio MOGU collaborano in un progetto in corso finanziato dall’UE intitolato Architetture fungine, che mira a costruire un “substrato vivente strutturale e computazionale completamente integrato utilizzando il micelio fungino allo scopo di far crescere l’architettura.”

Adam Adamatzky, il direttore e fondatore dell’UCL, ha elencato le qualità vantaggiose che i funghi offrono per la sua ricerca:

• “Tolleranza agli errori e autoriparazione: è impossibile distruggere tutto il micelio sotterraneo.

• Riconfigurabilità: possiamo programmare la crescita delle reti di micelio utilizzando repellenti e attrattori.
• Evolvibilità – come tutti gli esseri viventi, i funghi evolvono.
• Consumo di energia molto basso – i funghi sono computer che vivono su alberi marci.”

L’anno scorso, Adamatzky e il collega Nic Roberts, anche dell’UCL, hanno dimostrato l’estrazione di circuiti logici nei funghi e nel 2021 ha pubblicato un articolo con colleghi di CITA che introduce “l’elettronica fungina”: dispositivi elettronici viventi, tra cui sensori chimici e fotosensori e oscillatori, realizzati con micelio puro o compositi legati al micelio. Dice Adamatzky, “Ho un interesse duraturo nell’implementare dispositivi di elaborazione da substrati insoliti”.

Un altro materiale di biocomputazione insolito ma promettente è la muffa, Physarum polycephalum. Una volta classificata come fungo, ora è compresa come un’entità biologica distinta. Al Symposium sulla tecnologia e il software dell’interfaccia utente (UIST) dell’ACM dell’anno scorso, Jasmine Lu e Pedro Lopes dell’Human Computer Integration Lab dell’Università di Chicago hanno presentato un smartwatch integrato con muffa. In altri sviluppi, un team internazionale dell’Università di Wenzhou in Cina, dell’Università Duy Tan in Vietnam, dell’Università di Tehran in Iran e dell’Università Torrens in Australia ha proposto un algoritmo per muffa (SMA) per affrontare i problemi di ottimizzazione.

Una nuova frontiera?

La zona più recente della biocomputazione è forse anche la più sorprendente. Il progetto Organoid Intelligence (OI) riunisce ricercatori dell’Università di Johns Hopkins, dell’Howard Hughes Medical Institute e dell’Università della California San Diego negli Stati Uniti, Cortical Labs dell’Australia e le università di Lussemburgo e Konstanz in Germania. Lo scopo del progetto è di utilizzare colture tridimensionali (3D) di cellule cerebrali, chiamate organoidi cerebrali, per costruire potenti biocomputer.

A febbraio, il team ha pubblicato una roadmap per stabilire OI come una nuova disciplina scientifica. Pubblicato in Frontiers in Science, l’articolo definisce lo stato attuale dell’OI, nonché alcune delle sfide scientifiche, tecnologiche ed etiche che affronta.

La biocomputazione basata su OI cerca di utilizzare organoidi cerebrali derivati dalle cellule staminali umane in grado di memorizzare ed elaborare l’input. Ciò, dicono i ricercatori, supporterà la supercomputazione attraverso avanzamenti nella potenza di elaborazione, nell’efficienza dei dati e nelle capacità di archiviazione.

Thomas Hartung, un tossicologo dell’Università di Johns Hopkins, afferma che gli organoidi cerebrali 3D possono già essere prodotti. Possiedono attributi che possono essere sfruttati nella biocomputazione basata su OI, come l’alta densità cellulare, l’attività elettrofisiologica / reattività spontanea e i livelli migliorati di cellule gliali (“helper”) che supportano i neuroni in compiti di apprendimento biologico.

“Hai bisogno delle cellule helper, delle cellule gliali, per stabilire la memoria a lungo termine. Devono eliminare tutte le connessioni che non sono utili; lo chiamiamo potatura delle sinapsi”, spiega Hartung.

Tuttavia, gli organoidi cerebrali attuali sono costituiti da meno di 100.000 cellule. “Sono minuscoli, minuscoli, minuscoli”, dice Hartung. Per elaborare e memorizzare in modo utile, gli organoidi devono essere molto più grandi. Ciò presenta una grande sfida pratica, come spiega Hartung: “Questi modelli si stanno decomponendo nel cuore se li fai più grandi”.

La scalabilità degli organoidi, fino a circa 10 milioni di cellule neurali, è ora un obiettivo di ricerca chiave; così come la vitalità e la durata. Si sta lavorando su molteplici fronti, tra cui lo sviluppo di sistemi di perfusione microfluidici per supportare l’omeostasi negli organoidi e affrontare le sfide di archiviazione ed elaborazione.

Tuttavia, Hartung fa notare che la prova di concetto è stata stabilita nell’ottobre dell’anno scorso da Brett Kagan del Cortical Lab di Melbourne, in Australia. Kagan ha presentato un sistema di intelligenza biologica sintetica (SBI) chiamato BrainDish creato da neuroni viventi basati su topi embrionali e cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC). La coltura di cellule sintetiche ha mostrato la capacità di imparare e migliorare il gioco in simulazioni del gioco arcade degli anni ’70 Pong.

Potrebbero volerci del tempo, ma molti tipi di esseri viventi – da batteri, muffe e micelio a cellule cerebrali umane – potrebbero un giorno alimentare i nostri dispositivi.

K.J. Bannan è una scrittrice e redattrice con sede a Massapequa, NY. Ha iniziato la sua carriera nel team PM Magazine First Looks recensendo tutte le ultime e migliori tecnologie. Oggi è una freelance che copre argomenti di business, tecnologia, salute, finanza personale e lifestyle.