Paul Rothemund svela i segreti del DNA folding

Si dibatte animatamente sulla definizione di vita. Ci si chiede se debba includere riproduzione, metabolismo, o evoluzione. Io non lo so e non dirò nulla a riguardo. Quello che dirò, invece, è che la vita è calcolo. Per esempio, questo è un programma per computer. Caricato in una cellula, il programma viene eseguito e può produrre questa persona oppure, con un piccolo cambiamento, può produrre questa persona o con un altro piccolo cambiamento, questa persona o con un cambiamento più sostanzioso, questo cane o questo albero, o questa balena.

Quindi se ora prendete seriamente questa metafora del genoma come programma, siete costretti a considerare che Chris Anderson è un manufatto prodotto da un computer e lo stesso vale per Jim Watson, per Craig Venter e per tutti noi. E a convincervi che la metafora è fondata ci sono numerose analogie tra programmi genetici e programmi per computer utili a convincervi. Ma la più persuasiva delle somiglianze, secondo me, è la particolare sensibilità alle piccole variazioni che può produrre grandi cambiamenti nello sviluppo biologico, cioè nell'output. Una piccola mutazione può prendere una mosca con due ali e farla diventare una mosca con quattro ali. O può prendere una mosca e metterle delle zampe al posto delle antenne. Oppure, se conoscete "La Storia Fantastica", potrebbe creare un uomo con sei dita.

Una delle caratteristiche distintive dei programmi per computer è proprio questo tipo di sensibilità alle piccole variazioni. Se il vostro conto in banca è un dollaro e cambiate un singolo bit, potete finire con mille dollari. E proprio queste piccole variazioni sono quello che, credo, ci indicano come lo sviluppo di un calcolo complesso sia alla base dell'amplificazione che porta a questi cambiamenti sostanziali.

Tutto ciò indica che alla base della biologia ci sono programmi molecolari e dimostra la potenza dei programmi molecolari eseguiti nel mondo biologico. Quello che voglio fare io, è scrivere programmi molecolari, possibilmente per produrre tecnologia. Molte persone stanno tentando di fare lo stesso, molti biologi di sintesi procedono come Craig Venter concentrandosi sull'utilizzo di cellule. Sono orientati alle cellule. I miei amici programmatori molecolari ed io, invece, abbiamo una sorta di approccio biomolecole-centrico. Vogliamo usare DNA, RNA e proteine e strutturare nuovi linguaggi per costruire manufatti dal basso usando biomolecole, manufatti che potenzialmente non hanno nulla a che fare con la biologia. Questi sono tutti i macchinari presenti in una cellula. Ci sono una macchina fotografica. i pannelli solari della cellula, degli interruttori che attivano e disattivano i vostri geni, l'impalcatura della cellula, motori che muovono i muscoli. Il mio manipolo di programmatori molecolari sta tentando di riprodurre tutte queste parti a partire da del DNA. Non siamo fanatici del DNA, ma il DNA è il materiale più economico, il più semplice da capire e il più facile da programmare per raggiungere lo scopo. Se altri supporti diverranno più semplici da utilizzare, magari delle proteine, utilizzeremo quelli.

Nel caso dovessimo riuscirci, come apparirebbe la programmazione molecolare? Vi siederete al vostro computer. Progetterete qualcosa, ad esempio un cellulare, e descriverete quel cellulare in un linguaggio di alto livello. Poi avrete un compilatore che prenderà la vostra descrizione e la trasformerà in molecole che potranno essere mandate ad un sintetizzatore e il sintetizzatore le impacchetterà in un seme. E quello che accadrà se bagnerete e nutrirete per bene quel seme, è che eseguirà un calcolo per svilupparsi, un calcolo molecolare, e costruirà un computer elettronico. E nel caso non avessi già rivelato la mia idea, credo che la vita sia fatta di computer molecolari che costruiscono computer elettrochimici che costruiscono computer elettronici che insieme con i computer elettrochimici costruiranno nuovi computer molecolari che costruiranno nuovi computer elettronici e così via.

E se credete a tutto ciò e pensate come me che la vita sia tutta un calcolo, allora inizierete a guardare alle grandi domande attraverso gli occhi di un informatico. Una di queste grandi domande è: "come fa un bambino a sapere quando smettere di crescere?" E per un programmatore molecolare la domanda è: "come fa il vostro cellulare a sapere quando smettere di crescere?" (Risate) Oppure: "come fa un programma per computer a sapere quando interrompere l'esecuzione?" O, più precisamente, "come facciamo a sapere se un programma terminerà mai?" Ci sono altre domande come questa. Una di queste è la domanda di Craig Venter il quale, a questo punto, si rivela un vero informatico. Si è chiesto: "quanto è grande il genoma più piccolo che mi dia un micro-organismo funzionante?" "Quanti geni, minimo, sono costretto ad usare?" Questa è esattamente analoga alla domanda di quale sia il programma più corto che si possa scrivere e che appaia esattamente come Microsoft Word. (Risate) E allo stesso modo in cui egli scrive batteri sempre più piccoli, con genomi funzionanti, noi potremmo scrivere programmi più compatti che funzionino come Microsoft Word.

Ma in tema di programmazione molecolare, la nostra domanda è: "quante molecole dobbiamo mettere nel nostro seme per ottenere un cellulare?" "Qual è il numero più piccolo con cui ce la possiamo cavare?" Queste sono domande fondamentali in informatica. Sono tutte domande di complessità e l'informatica ci dice che queste sono domande estremamente difficili. Molte sono impossibili. Ma per alcuni compiti possiamo iniziare a rispondere. Quindi inizierò a porre tali domande per le strutture di DNA di cui adesso parlerò. Questo è del normalissimo DNA, quello a cui pensate quando pensate a del DNA. Ha due filamenti ed è una doppia elica, contiene A, T, C e G che si appaiano per tenere insieme i due filamenti. A volte lo disegnerò in questo modo per non spaventarvi. Vogliamo concentrarci sui singoli filamenti, senza pensare alla doppia elica. Quando sintetizziamo del DNA, produciamo filamenti singoli, e possiamo mettere il filamento blu in una provetta e il filamento arancione nell'altra provetta. e i filamenti sono flessibili quando sono spaiati. Ma messi insieme formano una doppia elica che è rigida. Negli ultimi 25 anni Ned Seeman e un drappello di seguaci hanno lavorato intensamente e costruito fantastiche strutture tridimensionali utilizzando questo tipo di reazione in cui due filamenti di DNA si uniscono. Ma, sebbene eleganti, i loro approcci richiedono molto tempo. Possono richiedere un paio d'anni o essere complicati da progettare.

Allora, un paio di anni fa, ho inventato un metodo che ho chiamato origami di DNA, così semplice che potete applicarlo nella cucina di casa e progettare il tutto su un laptop. Ma per farlo avete bisogno di un lungo filamento di DNA che tecnicamente è estremamente difficile da ottenere. Allora ci si può rivolgere ad una fonte naturale. Possiamo cercare in questo artefatto generato al computer ma contiene un genoma con un doppio filamento che non va bene. Possiamo guardare nel suo intestino. Ci sono miliardi di batteri. E nemmeno quelli vanno bene. Ancora doppio filamento. Ma al loro interno sono infettati da un virus che ha un genoma con un lungo filamento spaiato che possiamo ripiegare come un pezzo di carta, ed ecco come si fa.

Questa è una parte di quel genoma. Aggiungiamo una manciata di brevi filamenti di DNA sintetico che chiamo "graffette". Una metà di ogni graffetta si lega al filamento lungo in una certa zona mentre l'altra metà si lega da un'altra parte e unisce il filamento lungo ripiegandolo in questo modo. Il risultato finale di molte graffette sul filamento lungo è di ripiegarlo a formare un rettangolo.

Purtroppo non possiamo filmare questo processo, ma Shawn Douglas ad Harvard ha creato una bella visualizzazione che incomincia con un lungo filamento ed alcuni filamenti corti. E quello che accade è che mischiamo questi filamenti. Li scaldiamo, aggiungiamo un po' di sale, li riscaldiamo quasi fino a ebollizione e li raffreddiamo, e mentre li lasciamo raffreddare, i filamenti corti si legano ai filamenti lunghi e iniziano a formare delle strutture e lì potete vedere un tratto di doppia elica che si sta formando. Quando si guarda ai DNA origami, li si vede per quello che sono davvero, anche se pensate che sono complicati, sono una manciata di doppie eliche parallele tra loro tenute insieme in regioni in cui i filamenti corti seguono un'elica e poi saltano ad un'altra. Quindi c'è un filamento che va così, segue un'elica, poi si piega, salta ad un'altra elica e torna indietro e in questo modo tiene insieme il filamento lungo.

Ora, per dimostrare che possiamo produrre ogni forma che vogliamo, ho provato a creare questa. Volevo piegare del DNA facendolo andare su per un occhio, giù per il naso, su per il naso, attorno alla fronte, e giù di nuovo a finire in un cappietto. E ho pensato che se questo fosse riuscito allora qualunque forma sarebbe stata possibile. Quindi ho lasciato che un programma progettasse le graffette per farlo. Le ho ordinate e sono arrivate via FedEx. Ho mescolato il tutto, ho riscaldato, lasciato raffreddare e ho ottenuto 50 miliardi di faccine sorridenti che nuotavano in una sola goccia d'acqua. E ognuna di queste è soltanto un millesimo della sezione di un capello umano, chiaro?

Le faccine sono in soluzione e per guardarle bisogna depositarle e farle aderire ad una superficie. Quindi le versiamo su una superficie e quando vi aderiscono, facciamo un foto usando un microscopio a forza atomica che ha una puntina, come la testina di un giradischi, che va avanti e indietro sulla superficie, e si muove su e giù a seconda del profilo della superficie tastando la forma dell'origami di DNA. Ecco il microscopio a forza atomica al lavoro e potete vedere che l'atterraggio è stato un po' brusco. Quando ingrandiamo vediamo che hanno mandibole deboli che si piegano sulle teste e che alcuni nasi vengono spazzati via, ma non è male. Possiamo addirittura ingrandire e vedere il cappietto extra, questo nano pizzetto.

Ora, quello che è meraviglioso è che chiunque può farlo. E un giorno, circa un anno dopo aver ottenuto questi risultati, non richiesto, ho ricevuto questo per posta. Qualcuno sa cosa sia? Cos'è? È la Cina, no? Quello che è accaduto è che una dottoranda in Cina, Lulu Qian, ha fatto un gran bel lavoro. Si è scritta da sola il programma per progettare e costruire questo origami di DNA, una bellissima interpretazione della Cina, che ha addirittura Taiwan, e potete vedere che è al guinzaglio più corto del mondo.. (Risate) Quindi tutto funziona a meraviglia e possiamo creare disegni oltre che forme. Possiamo disegnare una mappa delle Americhe e scrivere DNA con del DNA.

E quello che che è davvero divertente è che questi oggetti sembrano nano opere d'arte, ma in effetti, tutto ciò di cui abbiamo bisogno per costruire nano circuiti sono proprio delle nano opere d'arte. Possiamo mettere i componenti dei circuiti sulle graffette, per esempio una lampadina e un interruttore, lasciare che si assemblino e ottenere un circuito. E poi potremmo sciacquare via il DNA e lasciare il circuito. Questo è quello che alcuni dei miei colleghi hanno fatto al Caltech. Hanno preso degli origami di DNA, sistemato dei nanotubi di carbonio, costruito un piccolo interruttore, ecco, collegato tutto, collaudato e mostrato che funziona davvero come un interruttore. Ora questo è soltanto un singolo interruttore e ne avremmo bisogno di mezzo miliardo per un computer, quindi c'è ancora molta strada da fare. Ma è davvero incoraggiante dato che gli origami possono sistemare al posto giusto parti che sono un decimo più piccole di quelle in un normale computer. Quindi è molto promettente per la costruzione di computer miniaturizzati.

Ora vorrei tornare al compilatore. L'origami di DNA è la dimostrazione che il compilatore funziona davvero. Quindi, si inizia con qualche oggetto nel computer. Si scrive una descrizione di alto livello del programma, una descrizione di alto livello dell'origami. Lo si può poi compilare in molecole, mandarlo ad un sintetizzatore e funziona davvero. E un'azienda ha scritto un bel programma molto meglio del mio codice che era piuttosto orribile, che ci permette di fare tutto questo in modo efficace attraverso una progettazione grafica computerizzata.

A questo punto vi potreste chiedere: "perché gli origami di DNA non sono la fine della storia?" "Avendo il compilatore molecolare si può fare ciò che si vuole". Il fatto è che il procedimento non è scalabile. Quindi se vogliamo costruire un essere umano con un origami di DNA il problema è che abbiamo bisogno di un lungo filamento lungo 10 milioni di miliardi di miliardi di basi. Dato che sarebbero tre anni luce di DNA, non useremo questo metodo. Invece passeremo ad un'altra tecnologia chiamata autoassemblaggio algoritmico di tasselli. È stata introdotta da Erik Winfree, e funziona utilizzando tasselli che sono un centesimo delle dimensioni di un origami di DNA. Ingrandendo ci sono solo quattro filamenti di DNA su cui ci sono segmentini fatti di un unico filamento che possono legarsi ad altri tasselli se combaciano. Disegnamo questi tasselli come dei quadratini. E se guardate alle loro estremità adesive, quei segmentini di DNA, potete vedere che formano una scacchiera. Quindi questi tasselli formano una complicata scacchiera che si autoassembla. E il punto qui, nel caso vi sia sfuggito, è che i tasselli sono una sorta di programma molecolare che possono produrre delle strutture come output. E la parte davvero meravigliosa è che ogni programma per computer può essere tradotto in uno di questi programmi a tasselli, in particolare un contatore. Quindi possiamo immaginare un insieme di tasselli che quando si assemblano formano un piccolo contatore binario invece di una scacchiera. In modo da leggere i numeri binari cinque, sei e sette.

E per iniziare correttamente questo tipo di computazioni abbiamo bisogno di qualche input, un seme di qualche sorta. Ad esempio possiamo usare un origami di DNA. Possiamo codificare il numero 32 sulla destra di un origami di DNA e quando aggiungiamo tasselli che contano, questi iniziano a contare, leggendo quel 32 e si fermeranno a 32. Quello che abbiamo fatto è trovare un modo per cui il programma molecolare sappia quando interrompere l'esecuzione. Sa quando smettere di crescere perché sa contare. Sa quanto è grande. Quindi questo risponde al genere di domande di cui parlavo. Non ci dice come facciano i bambini, tuttavia.

Ora possiamo utilizzare il contare per ottenere oggetti molto più grandi di quelli possibili con gli origami di DNA. Ecco un origami di DNA, quello che possiamo fare è scrivere 32 su entrambi i lati dell'origami di DNA usare il nostro annaffiatoio bagnare con dei tasselli e iniziare a far crescere i tasselli dall'origami fino a creare un quadrato. Il contatore serve da contorno per poi riempire il quadrato nel mezzo. Quindi quello che abbiamo fatto è riuscire a costruire qualcosa molto più grande di un origami di DNA combinando origami di DNA e tasselli. E la cosa interessante è che è anche riprogrammabile. Potremmo cambiare appena un paio di filamenti di DNA in questa rappresentazione binaria e ottenere 96 invece che 32. E l'origami resterebbe della stessa dimensione, ma il quadrato che ne risulterebbe sarebbe tre volte più grande.

Quindi questo riassume quello che vi dicevo sullo sviluppo. Abbiamo un programma per computer molto sensibile in cui piccoli cambiamenti, singole minuscole mutazioni, possono portare qualcosa che costruiva un quadrato di una certa misura a costruirne uno molto più grande. Ora, l'utilizzo del contare per costruire questo tipo di oggetti attraverso questo tipo di processi di sviluppo ha anche attinenza con la domanda di Craig Venter. E possiamo chiederci: "quanti filamenti di DNA sono necessari per costruire un quadrato di una data misura?" Se volessimo costruire un quadrato di dimensione 10, 100 o 1000 nel caso usassimo soltanto origami di DNA avremmo bisogno di un numero di filamenti che è il quadrato della dimensione del quadrato, quindi avremmo bisogno di cento, diecimila o un milione di filamenti di DNA. Non ce lo possiamo davvero permettere. Ma se usiamo un po' di calcolo, cioè degli origami più dei tasselli che contano, allora ci riusciamo usando 100, 200 o 300 filamenti di DNA. Ed ecco che possiamo ridurre esponenzialmente il numero dei filamenti di DNA che utilizziamo se contiamo, se usiamo un po' di calcolo. Quindi calcolare è una strada molto potente per ridurre il numero di molecole di cui abbiamo bisogno per costruire qualcosa, per ridurre la dimensione del genoma che stiamo costruendo.

E in fine torno a quell'idea un po' folle dei computer che costruiscono computer. Se osservate il quadrato che abbiamo costruito con gli origami e i contatori che vi crescono, la sua struttura è esattamente la struttura di cui avete bisogno per costruire una memoria. Quindi se applicate fili e interruttori a quei tasselli, invece che alle graffette, le applicate ai tasselli, allora i tasselli si autoassembleranno in circuiti complessi, nei circuiti de-multiplexer di cui avete bisogno per indirizzare questa memoria. Ed ecco che potete costruire un circuito complesso se solo usate un po' di calcolo. È un computer molecolare che costruisce un computer elettronico. Ora mi chiederete: "quanta strada abbiamo fatto finora?" Questo è quanto abbiamo fatto sperimentalmente lo scorso anno. Questo è un origami di DNA rettangolare e questi sono dei tasselli che vi crescono accanto. E potete vedere come contano. Uno, due, tre, quattro, cinque, sei, nove, dieci, undici, dodici, diciassette. Ci sono un po' di errori, ma almeno il conteggio procede. (Risate)

Abbiamo avuto quest'idea nove anni fa e la costante di tempo necessaria per sviluppare questo genere di cose è più o meno questa, quindi direi che abbiamo fatto molti progressi. Abbiamo idee su come correggere gli errori. E penso che nei prossimi cinque o dieci anni costruiremo i quadrati che ho descritto e forse arriveremo anche ad alcuni di quei circuiti che si autoassemblano.

Ora, cosa voglio che vi rimanga di questo seminario? Vorrei che vi ricordiate che per creare forme di vita complesse e diversificate, la vita stessa applica dei processi di calcolo.. E quei calcoli sono in realtà calcoli molecolari, e per capire a fondo tutto ciò, come disse Feynman, per capire davvero qualcosa dobbiamo costruirlo. Quindi l'idea è di utilizzare molecole per riprodurre tutto, ricostruire tutto dal basso, usando il DNA in modi che la natura non aveva in progetto, usando gli origami di DNA e gli origami di DNA come semi per l'autoassemblaggio algoritmico.

Tutto ciò è davvero entusiasmante, ma quello che vorrei vi ricordaste traendo spunto da alcune di quelle grandi domande, è che la programmazione molecolare non è solo volta a costruire aggeggini Non è solo costruire cellulari e circuiti che si autoassemblano. Piuttosto è prendere l'informatica e considerare le grandi domande sotto una nuova luce, riformulare quelle grandi domande e cercare di capire come il mondo biologico possa produrre queste meraviglie. Grazie. (Applausi)