Solitamente separiamo il cervello e il muscolo: il cervello pensa, il muscolo agisce. Il cervello elabora informazioni complesse sul mondo, prende decisioni, mentre il muscolo si limita a eseguire. Questa separazione cervello-muscolo ha plasmato anche il nostro modo di concepire i processi all’interno di una singola cellula; alcune molecole all’interno delle cellule sono considerate “pensatori” che raccolgono informazioni sull’ambiente chimico e decidono cosa la cellula deve fare per sopravvivere; separatamente, altre molecole sono viste come il “muscolo“, costruendo le strutture necessarie per la sopravvivenza.
Un nuovo studio, però, mostra come le molecole che costruiscono le strutture, cioè il muscolo, possano fare sia il pensare che l’agire. Lo studio, condotto da scienziati dell’Università di Maynooth, dell’Università di Chicago e del California Institute of Technology, è stato pubblicato il 17 gennaio su Nature.
“Dimostriamo che un processo molecolare naturale – la nucleazione – studiato a lungo come un ‘muscolo’, può effettuare calcoli complessi che competono con una rete neurale semplice“, ha dichiarato il Professore Associato dell’Università di Chicago Arvind Murugan, uno dei due autori senior del paper. “È una capacità nascosta a occhi aperti che l’evoluzione può sfruttare nelle cellule per fare di più con meno; le molecole ‘operanti’ possono anche ‘pensare’“.
Pensare usando la fisica
Le cellule devono riconoscere l’ambiente in cui si trovano e fare cose diverse per sopravvivere. Ad esempio, alcune combinazioni di molecole potrebbero indicare un periodo di stress che richiede di tenere duro, mentre altre combinazioni di molecole potrebbero indicare un periodo di abbondanza. La differenza tra questi segnali molecolari però può essere sottile: ambienti diversi potrebbero coinvolgere le stesse molecole ma in proporzioni diverse.
Constantine Evans, Ricercatore presso l’Istituto Hamilton dell’Università di Maynooth, primo autore dello studio, ha spiegato che è un po’ come entrare in una casa e sentire l’odore di biscotti appena sfornati rispetto a sentire l’odore di gomma bruciata. “Il cervello modificherebbe il comportamento in base alla percezione di diverse combinazioni di sostanze odorose. Abbiamo cercato di capire se solo la fisica di un sistema molecolare può fare lo stesso, nonostante non abbia un cervello di alcun tipo“, ha detto.
La visione tradizionale è stata quella secondo cui le cellule potrebbero essere in grado di percepire e rispondere in questo modo utilizzando circuiti molecolari concettualmente simili ai circuiti elettronici nel laptop; alcune molecole percepiscono, altre molecole prendono una decisione su cosa fare e infine le molecole “muscolari” eseguono un’azione (ad esempio, costruiscono una struttura).
L’idea alternativa esplorata qui è che tutte queste attività – percezione, decisione, risposta – possono essere realizzate in un solo passo attraverso la fisica intrinseca al “muscolo” stesso. La fisica coinvolta in questo studio è quella delle “transizioni di fase” – pensate a un bicchiere d’acqua che si gela quando raggiunge 0 °C; innanzitutto, un piccolo frammento di ghiaccio “nuclea” e poi cresce fino a quando tutto il bicchiere d’acqua è congelato. A prima vista, questi passaggi iniziali nell’atto di “congelare” – la nucleazione – non assomigliano al “pensiero”. Questo studio mostra che l’atto di congelare può “riconoscere” combinazioni chimiche sottilmente diverse – ad esempio, l’odore di biscotti all’avena e uvetta rispetto a quello di cioccolato – e costruire diverse strutture molecolari in risposta.
Gli esperimenti
Gli autori hanno testato la robustezza della presa di decisioni basata sulla nucleazione utilizzando la nanotecnologia del DNA, un campo di cui il Prof. Erik Winfree è pioniere. “La teoria è generale e dovrebbe applicarsi a qualsiasi tipo di molecola. Ma il DNA ci consente di studiare sperimentalmente la nucleazione in miscele complesse di migliaia di tipi di molecole e capire sistematicamente l’impatto del numero e del tipo di molecole e delle interazioni che hanno“, ha spiegato Erik.
L’esperimento ha rivelato alcune sorprese: la presa di decisioni basata sul “muscolo” era sorprendentemente robusta e scalabile. Complicazioni non previste nella teoria, come la mancanza di molecole durante l’esperimento, hanno finito per aiutare anziché nuocere. Di conseguenza, esperimenti relativamente semplici hanno risolto problemi di riconoscimento di pattern che coinvolgevano circa mille tipi di molecole, quasi 10 volte più grandi rispetto agli approcci basati su circuiti precedenti. In ogni caso, le molecole si sono unite per costruire diverse strutture su scala nanometrica in risposta a diversi modelli chimici – eccetto il fatto che l’atto di costruire la struttura in sé ha preso la decisione su cosa costruire.
Il lavoro indica una nuova visione della computazione 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 congelerà o bollirà. Convenzionalmente, i diagrammi di fase sono considerati descrivere proprietà materiali simili al “muscolo”. Questo studio però mostra che il diagramma di fase può anche codificare il “pensiero” oltre all'”agire” quando si scala a sistemi complessi con molti componenti diversi.
“I fisici hanno tradizionalmente studiato cose come un bicchiere d’acqua che ha molte molecole, ma tutte sono identiche. Ma una cellula vivente è piena di molti tipi diversi di molecole che interagiscono tra loro in modi complessi. Ciò comporta capacità emergenti distinte dei sistemi multi-componente“, ha affermato Jackson O’Brien, coinvolto nello studio come studente di dottorato in fisica all’Università di Chicago. La teoria in questo studio ha tratto analogie matematiche tra tali sistemi multi-componente e la teoria delle reti neurali; gli esperimenti hanno indicato come questi sistemi multi-componente potrebbero apprendere le giuste proprietà computazionali attraverso un processo fisico, simile al modo in cui il cervello impara ad associare odori diversi con azioni diverse.
Mentre gli esperimenti qui coinvolgevano molecole di DNA in una provetta, i concetti sottostanti – la nucleazione in sistemi con molti tipi di componenti – si applicano ampiamente a molti altri sistemi molecolari e fisici. Gli autori sperano che questo lavoro stimoli la ricerca per scoprire abilità nascoste di “pensiero” in altri sistemi multi-componente che sembrano attualmente essere solo “muscoli“.
Il paper è intitolato “Pattern recognition in the nucleation kinetics of non-equilibrium self-assembly“.
