Nel mondo della biologia cellulare, si è sempre pensato che esistessero due tipi di molecole: quelle ‘pensanti’, capaci di elaborare informazioni e prendere decisioni, e quelle ‘muscolo’, deputate alla costruzione delle strutture essenziali per la sopravvivenza della cellula. Tuttavia, una recente ricerca ha messo in discussione questa netta divisione, dimostrando che anche le molecole ’muscolo’ possono svolgere compiti cognitivi attraverso il processo di nucleazione. Questa scoperta potrebbe portare a processi cellulari più efficienti e ha implicazioni significative per la comprensione del calcolo nei sistemi biologici.
Il pensiero oltre il cervello
Le cellule hanno la necessità di riconoscere l’ambiente in cui si trovano e adattarsi per sopravvivere. Ad esempio, alcune combinazioni di molecole possono indicare un periodo di stress che richiede una reazione difensiva, mentre altre combinazioni possono segnalare un periodo di abbondanza. La differenza tra questi segnali molecolari può essere sottile, coinvolgendo le stesse molecole ma in proporzioni diverse.
La fisica della decisione
La visione tradizionale è che le cellule possano percepire e rispondere a questi segnali attraverso circuiti molecolari che assomigliano concettualmente ai circuiti elettronici di un computer; alcune molecole rilevano l’ambiente, altre prendono decisioni su cosa fare e infine le molecole ‘muscolo’ eseguono un’azione, come la costruzione di una struttura. L’idea alternativa esplorata in questa ricerca è che tutti questi compiti – rilevamento, decisione, risposta – possano essere compiuti in un unico passaggio dalla fisica intrinseca alla ‘muscolo’ stessa.
La robustezza degli esperimenti
Gli autori hanno testato la robustezza della decisione basata sulla nucleazione utilizzando la nanotecnologia del DNA, un campo pionieristico del Prof. Erik Winfree. “La teoria è generale e dovrebbe applicarsi a qualsiasi tipo di molecola. Ma il DNA ci permette di studiare sperimentalmente la nucleazione in miscele complesse di migliaia di tipi di molecole e di comprendere sistematicamente l’impatto del numero di molecole e dei tipi di interazioni che hanno”, ha spiegato Erik.
La sorpresa degli esperimenti
Gli esperimenti hanno rivelato alcune sorprese: la decisione basata sul ‘muscolo’ si è rivelata sorprendentemente robusta e scalabile. Complicazioni non modellate nella teoria, come l’esaurimento delle molecole durante l’esperimento, si sono rivelate utili piuttosto che dannose. Di conseguenza, esperimenti relativamente semplici hanno risolto problemi di riconoscimento di modelli che coinvolgevano circa mille tipi di molecole, quasi dieci volte più di quanto ottenuto in precedenti approcci basati su circuiti. In ogni caso, le molecole si sono unite per costruire diverse strutture nanometriche in risposta a diversi modelli chimici, tranne che l’atto stesso di costruire la struttura ha preso la decisione su cosa costruire.
Una nuova visione del calcolo
Il lavoro suggerisce una nuova visione del calcolo che non coinvolge la progettazione di circuiti, ma piuttosto la progettazione di ciò che i fisici chiamano un ‘diagramma di fase’; ad esempio, per l’acqua, un diagramma di fase potrebbe descrivere le condizioni di temperatura e pressione in cui l’acqua liquida si congela o evapora. Tradizionalmente, i diagrammi di fase sono visti come descrizioni di proprietà materiale ‘muscolo’. Ma questo lavoro mostra che il diagramma di fase può anche codificare il ‘pensiero’ oltre al ‘fare’ quando viene ampliato a sistemi complessi con molti tipi di componenti diversi.
Sebbene gli esperimenti qui coinvolti abbiano utilizzato molecole di DNA in una provetta, i concetti sottostanti – nucleazione in sistemi con molti tipi di componenti - si applicano ampiamente a molti altri sistemi molecolari e fisici. Gli autori sperano che questo lavoro stimolerà la ricerca per scoprire capacità ‘pensanti’ nascoste in altri sistemi multi-componente che attualmente sembrano essere solo ‘muscoli’.
