Immaginate un computer costruito non con chip di silicio, ma con enzimi interagenti, i catalizzatori biologici che guidano i processi chimici della vita. Questa non è fantascienza; i ricercatori della Radboud University nei Paesi Bassi hanno creato proprio un dispositivo del genere. A differenza dei computer tradizionali che si basano su una programmazione rigida, questo “computer chimico” si adatta e apprende attraverso le interazioni dinamiche dei suoi componenti molecolari, offrendo uno sguardo su un futuro in cui il calcolo si fonde con la biologia.
Per decenni gli scienziati hanno cercato di replicare la notevole adattabilità dei sistemi viventi all’interno di dispositivi artificiali. Le cellule percepiscono senza sforzo nutrienti, ormoni e cambiamenti di temperatura, adattando di conseguenza il loro comportamento. Imitare questa complessità nei sistemi non biologici si è rivelato impegnativo. La maggior parte dei tentativi di costruire “computer chimici” sono stati troppo semplicistici o troppo rigidi per catturare le sfumature dell’interazione delle reti biologiche.
Questo nuovo approccio prende una strada diversa. Invece di programmare meticolosamente ogni passaggio chimico, i ricercatori hanno assemblato un sistema in cui sette enzimi distinti risiedono su minuscole perle di idrogel racchiuse all’interno di un tubo. Un liquido che scorre trasportando corte catene di aminoacidi (peptidi) funge da input del computer. Quando questi peptidi incontrano gli enzimi, ciascun enzima tenta di scinderli in siti specifici.
Tuttavia, questo non è un processo lineare. Il taglio di un enzima altera la forma del peptide e i siti di taglio disponibili per gli enzimi successivi, creando un effetto a cascata. Questa intricata danza di reazioni chimiche genera modelli costantemente mutevoli all’interno del sistema. Questi modelli diventano il linguaggio attraverso il quale il computer interpreta le informazioni.
“Possiamo pensare agli enzimi come all’hardware e ai peptidi come al software”, spiega Dongyang Li, un ricercatore del California Institute of Technology che non è stato coinvolto nello studio. “Questo sistema risolve nuovi problemi a seconda degli input.”
Sorprendentemente, questo sistema dinamico presenta caratteristiche che ricordano la memoria biologica. Poiché le reazioni chimiche avvengono a velocità variabili, la rete conserva una traccia dei segnali passati, consentendole di riconoscere i modelli che si sviluppano nel tempo. Ad esempio, è in grado di distinguere tra impulsi luminosi rapidi e lenti, dimostrando la sua capacità di seguire il cambiamento piuttosto che semplicemente reagire a input statici.
Questo “computer chimico” non è vincolato dai vincoli dei circuiti tradizionali. Rileva le fluttuazioni di temperatura, classificandole con notevole precisione (in media un errore di 1,3°C da 25°C a 55°C) e può persino discernere i livelli di pH e rispondere ai ritmi degli impulsi luminosi. Tutto ciò viene ottenuto senza la necessità di ricablare o riprogettare i suoi componenti chimici principali.
Il team è rimasto sbalordito dall’efficienza del sistema, date le sue dimensioni modeste. Il potenziale di espansione è vasto. Il ricercatore Wilhelm Huck immagina un futuro in cui sistemi più complessi, che incorporano dozzine o addirittura centinaia di enzimi, potrebbero tradurre direttamente segnali ottici o elettrici in segnali chimici, consentendo loro di interagire con i sistemi biologici in modi completamente nuovi.
Questo lavoro innovativo segna un passo significativo verso il colmare il divario tra il calcolo artificiale e quello biologico. Apre le porte ad applicazioni innovative, da sensori altamente adattabili a interfacce biocompatibili che integrano perfettamente la tecnologia con gli organismi viventi.
