L'occhio umano riesce a vedere singole particelle di luce: Nuova prospettiva per lo studio dei circuiti nervosi della vista.

Fonte: ANSA Scienze

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Altro che la super vista degli eroi dei fumetti: l'occhio umano è naturalmente in grado di riconoscere le singole particelle di luce, i fotoni. E' quanto dimostra un curioso esperimento condotto alla Rockefeller University di New York: i risultati, pubblicati su Nature Communications, offrono una nuova prospettiva per studiare i circuiti nervosi che collegano la retina al cervello, con importanti implicazioni per la vista.
Sulle reali potenzialità dell'occhio umano si discute ormai dagli anni Quaranta, quando alcune ricerche pionieristiche dimostrarono per la prima volta la capacità di riconoscere debolissimi segnali luminosi formati da sette o al massimo cinque fotoni. Da allora, però, nessuno è stato in grado di dimostrare se la vista dell'uomo fosse in grado di riconoscere il singolo fotone, anche a causa delle limitazioni sperimentali legate alle tecnologie necessarie per produrre le particelle di luce..
Per risolvere la questione, i ricercatori coordinati da Alipasha Vaziri hanno realizzato uno speciale strumento che sfrutta i principi dell'ottica quantistica per sparare due fotoni alla volta, uno diretto verso l'occhio umano e l'altro verso un rivelatore, ovvero una telecamera ad alta sensibilità. Questo macchinario è stato usato per mettere alla prova un gruppo di volontari, chiamati a riconoscere le volte in cui veniva sparato un fotone e le volte in cui invece veniva lanciato un segnale 'bianco', cioè un falso segnale privo di fotoni..
I risultati ottenuti dopo oltre 30.000 tentativi dimostrano che il numero di segnali riconosciuti è superiore a quello che si sarebbe avuto per pura casualità. L'obiettivo dei ricercatori ora è quello di avviare nuovi studi che permettano di fare luce sui circuiti nervosi che consentono all'occhio di avere questa sorprendente sensibilità.

L'hard disk più piccolo del mondo: Memorizza i bit negli atomi, tutti i libri dell'umanità in un francobollo!

L'hard disk più piccolo del mondo è largo 96 millesimi di millimetro e alto 126 (fonte: TU Delft/Ottelab)

Fonte: ANSA Scienze

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Hard disk più piccolo del mondo, immagazzina bit in atomi Minuscolo e super-efficiente, decisivo per miniaturizzazione Immaginate di prendere tutti i libri scritti nella storia dell'umanità e di immagazzinarli in uno spazio grande quanto un francobollo. E' questa l'incredibile potenza dell'hard disk più piccolo del mondo, capace di sfruttare gli atomi per memorizzare i bit con una densità 500 volte maggiore rispetto ai migliori dispositivi attualmente in commercio. Lo hanno realizzato i ricercatori del Kavli Institute of Nanoscience presso l'Università di Delft, nei Paesi Bassi, che ne illustrano caratteristiche e potenzialità sulla rivista Nature Nanotechnology.
 ''Si tratta di un passo avanti molto importante'', spiega Luca Trupiano, tecnologo dell'Istituto di Scienza e Tecnologia dell'Informazione 'A. Faedo' del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr) di Pisa. ''Anche se al momento questo hard disk funziona solo in laboratorio, ed è ben lontano dalla produzione industriale, avvicina la possibilità di creare dispositivi elettronici portatili dalla memoria infinita, così come infrastrutture e datacenter più piccoli con consumi energetici più bassi''.
 La parola chiave è miniaturizzazione, sempre più importante in un mondo che produce oltre un miliardo di gigabyte di nuovi dati al giorno. La soluzione al problema sta nell'infinitamente piccolo, come aveva teorizzato il fisico premio Nobel Richard Feynman. Fu lui, nel 1959, a lanciare per primo la sfida ai colleghi durante un convegno, ipotizzando che si potesse immagazzinare un'informazione per atomo. Proprio in suo onore, i ricercatori olandesi hanno usato la loro nuova tecnologia per memorizzare uno stralcio di quel discorso su un'area di soli 100 milionesimi di millimetro.
 Il segreto di questa super memoria sta in una piccola superficie di rame, sulla quale gli atomi di cloro si dispongono formando una scacchiera: quando manca un atomo, si forma uno spazio vuoto, che può essere riempito trascinando gli atomi vicini con l'ausilio dell'ago di uno speciale microscopio a effetto tunnel. Proprio come accade con le tesserine numerate del gioco del 15, i buchi possono essere spostati, formando così uno schema preciso che forma bit, lettere, parole e perfino testi interi. Gli spazi vuoti possono essere sistemati anche in modo da formare dei segnali (simili a Qr code) che forniscono informazioni, ad esempio indicando se c'è un guasto dovuto ad un difetto a livello atomico.
 Grazie a questa tecnologia, i ricercatori sono riusciti a sviluppare una memoria di un kilobyte, dove ognuno degli 8.000 bit è rappresentato dalla posizione di un singolo atomo. Una prova di principio importante, dunque, che però è ancora lontana da applicazioni pratiche: l'hard disk, infatti, funziona al momento solo in condizioni di vuoto spinto a 200 gradi sotto zero.

Nuovo materiale capace di trasformare in luce visibile quella vicina all'infrarosso.

Fonte: ANSA Scienze

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Produrre luce potrebbe diventare più economico, grazie al nuovo materiale capace di trasformare in luce visibile quella vicina all'infrarosso. Potrebbe essere un nuovo passo in avanti nelle tecniche di illuminazione, dopo l'arrivo dei Led, descritto sulla rivista Science. E' possibile grazie al nuovo materiale ottenuto da elementi molto comuni ed economici, come stagno e zolfo, e con una struttura simile a quella del diamante.
Ottenuto in Germania, dal gruppo coordinato da Nils Wilhelm Rosemann, dell'università di Marburgo, il composto potrebbe anche aprire la strada a microscopi più precisi e a proiettori di nuova generazione.
Quando un fascio di luce laser nel vicino infrarosso viene diretto sul composto, la struttura di quest'ultimo altera la lunghezza d'onda della luce rendendola visibile all'occhio umano, molto simile a quella prodotta dalle normali lampade alogene.
 Secondo i ricercatori potrebbe essere in arrivo un cambiamento confrontabile all'introduzione dei Led, che hanno segnato il primo sostanziale passo in avanti rispetto alle lampadine a incandescenza introdotte nella seconda metà dell'800.
Mentre queste ultime hanno il difetto di dissipare una grande quantità di energia sotto forma di calore, i Led sono notevolmente più efficienti. Il nuovo materiale ottenuto in Germania potrebbe segnare un nuovo passo in avanti nell'illuminazione, considerando che i materiali utilizzati sono largamente disponibili e molto economici.

DNA umano sintetico, per poter coltivare organi destinati ai trapianti.

Fonte: ANSA Scienze

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Dopo aver letto il grande libro del genoma umano, a distanza di oltre dieci anni e' arrivato il tempo di scriverlo, ottenendo per la prima volta in laboratorio Dna umano sintetico per poter coltivare organi destinati ai trapianti e per ottenere cellule umane 'super sicure', capaci di contrastare gli attacchi di batteri e virus, come di resistere ai tumori. E' quanto intende fare il programma ambizioso presentato sulla rivista Science da un gruppo di 25 fra genetisti, biochimici e biologi molecolari.
 Il progetto si chiama Human Genome Project-write (Hgp-write), ossia il Progetto Genoma Umano che si occupa di scrivere il Dna e l'idea dei suoi promotori e' di avviarlo a fine anno in collaborazione con istituzioni pubbliche. "Abbiamo bisogno delle tecnologie e di un quadro di regole etiche", scrivono su Science i ricercatori, coordinati dall'esperto di Biologia sintetica Jef Boeke, dell'universita' di New York. A lui si deve la prima versione sintetica del genoma del lievito del pane e quella del piu' piccolo dei cromosomi umani, il terzo. Tra gli altri autori della proposta, il genetista di Harvard George Church e il futurologo californiano Andrew Hessel.
 E' il punto di arrivo prevedibile dell'esperienza accumulata nel tempo con la mappa del Dna umano e, piu' recentemente con i primi batteri sintetici, dal codice genetico inesistente in natura e programmato al computer, e con la tecnica del taglia-incolla del Dna, chiamata Crispr. E' un grande patrimonio di conoscenze che adesso permette di proporre un programma di ricerca ambizioso come lo Human Genome Project-write.
 Il primo obiettivo che si propongono i ricercatori e' realizzare una linea di cellule umane 'super sicure', che siano cioe' equipaggiate con i geni 'giusti' per resistere ai virus e per contrastare i tumori, e nelle quali siano 'cancellati' geni poco sicuri perche' potenzialmente legati a mutazioni pericolose. Il Dna di queste supercellule dovrebbe infatti esser molto stabile, in modo da garantire la disponibilita' di linee di cellule da utilizzare a fini terapeutici.
 La reazione del mondo scientifico si e' fatta sentire immediatamente dal sito di un'altra grande rivista scientifica, Nature, e il dibattito e' ormai aperto tra chi vede la possibilita' di un progresso e chi esprime timori e perplessita'. Non si e' stupito, per esempio, l'esperto di biologia sintetica Martin Fussenegger, del Politecnico di Zurigo, per il quale il progetto e' una naturale evoluzione delle cose: "alla fine e' solo questione di fondi". Un altro esperto di biologia sintetica, Drew Endy, dell'universita' californiana di Stanford, ritiene invece che il progetto debba essere abbandonato in attesa di un sostegno pubblico piu' forte. In Italia il genetista Edoardo Boncinelli, dell'universita' Vita e Salute di Milano, non si allarma: "non considero questo progetto una novita' assoluta perche' alcune cose si possono fare anche con le tecnologie attuali, anche se sono costose. In ogni caso non vedo pericoli".

Batteri programmati come i computer: Con uno speciale software, per farne fabbriche di farmaci.

Fonte: ANSA Scienze

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Diventa possibile programmare i batteri proprio come si fa con i computer, ad esempio per trasformarli in fabbriche di farmaci: il primo linguaggio di programmazione per esseri unicellulari e' stato messo a punto negli Stati Uniti, dal gruppo del Mit (Massachussets Institute of technology) coordinato da Christopher Voigt.
Descritto sulla rivista Science, il linguaggio ha il vantaggio di essere molto facile e rapido da usare: ''potrebbe svilupparlo anche uno studente delle scuole superiori'', rileva Voigt. ''Si usa un linguaggio di base, proprio come si fa quando si programma un computer, si costruisce un testo e lo si 'traduce' in una sequenza di Dna da trasferire all'interno del batterio, dove il circuito comincia a funzionare come una cellula''.
Per creare una versione del linguaggio capace di lavorare sulle cellule i ricercatori hanno ideato porte logiche e sensori che possono essere codificati nel Dna di una cellula batterica. I sensori possono rilevare elementi differenti, come ossigeno o glucosio, luce, temperatura e acidità.
Il primo batterio ad essere stato riprogrammato e' stato l'Escherichia coli, una presenza 'familiare' sia nei laboratori di biologia sia nell'organismo umano. Finora sono stati programmati 60 circuiti con diverse funzioni, 45 dei quali hanno funzionato al primo tentativo e uno di essi e' il piu' grande circuito biologico mai realizzato.
 Il prossimo obiettivo e' sperimentare il linguaggio di programmazione su altri microrganismi vicini all'uomo, come i Bacteroides che vivono nell'intestino umano, ad esempio per metterli in grado di favorire la digestione del lattosio; si vuole lavorare anche su batteri che vivono nel lievito o nelle piante, come lo Pseudomonas che vive nelle loro radici: in questo caso l'obiettivo e' modificarli in modo da produrre insetticidi ogni volta che la pianta e' sotto attacco, e lieviti che bloccano il processo di fermentazione quando vengono prodotte sostanze tossiche.

L'embrione sa autoripararsi: All'inizio dello sviluppo sostituite le cellule anomale con quelle sane.

Fonte: ANSA Scienze

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Le anomalie dell'embrione all'inizio dello sviluppo non sono necessariamente il segno di un possibile difetto alla nascita, come la sindrome di Down. Le cellule anormali possono essere infatti eliminate e sostituite da altre sane, 'riparando' così l'embrione. Lo indica lo studio sui topi pubblicato sulla rivista Nature Communications e coordinato da Magdalena Zernicka-Goetz, dell'università britannica di Cambridge.
La ricerca, condotta su topi, è partita dall'esperienza personale di Zernicka-Goetz, rimasta incinta del suo secondo figlio a 44 anni: ''la villocentesi che feci - ricorda - mostrò che fino a un quarto delle cellule nella placenta erano anormali. Significava che anche il bambino aveva delle cellule anormali?''. Parlando con i genetisti la ricercatrice scoprì che si sapeva molto poco sul destino degli embrioni con cellule anormali.
''Per fortuna mio figlio è nato sano - prosegue - ma molte donne incinte sono in difficoltà al momento di scegliere sulla base dei risultati di test che non sono compresi appieno''. Una risposta importante da trovare, visto l'aumento delle donne che diventano madri a 40 anni, considerate più a rischio di avere figli con anomalie cromosomiche.
''Le cellule con anomalie cromosomiche sono state osservate in circa il 90% degli embrioni umani ai primi stadi di sviluppo e la villocentesi può mostrare alcune di queste anomalie'', aggiunge Thierry Voet, coautore dello studio.
In laboratorio i ricercatori hanno osservato che negli embrioni con metà delle cellule che mostrano anomalie, queste ultime sono venute meno per morte cellulare programmata, permettendo alle cellule normali di sostituirle e portando ad un embrione sano. Per questo Zernicka-Goetz rileva che ''l'embrione ha una sorprendente capacità di correggersi. Anche quando metà delle cellule nei primi stadi di sviluppo sono anormale, l'embrione riesce a ripararsi completamente''.
Il prossimo passo sarà determinare la proporzione di cellule sane necessarie per riparare l'embrione e il meccanismo con cui le cellule anomale vengono eliminate.

Arrivano i computer biologici: lo studio è basato sull’adenosina trifosfato (ATP).

Fonte: Galileonet.it

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Un modello di “computer biologico” in grado di processare grandi moli di dati. Lo ha messo a punto il team di Dan Nicolau della McGill University.

Chi ha detto che il cervello di un robot debba necessariamente essere fatto di silicio o germanio? E i suoi arti di titanio, materiali a memoria di forma o grafene? Per chi si ritrova con l’idea classica dell’automa realizzato da un ammasso di materia inerte, gli esperimenti condotti da Dan Nicolau della McGill University suoneranno come una stupefacente, nuova possibilità. Ormai molto prossima a divenire realtà. Infatti, il gruppo di ricerca guidato da Nicolau ha elaborato un modello di “computer biologico” in grado di processare grandi moli di dati in un tempo confrontabile con quello impiegato da supercomputer di grandi dimensioni. Qual è, dunque, l’ingrediente (poco) segreto di questo portento tecnologico?

La risposta a questa domanda è sorprendente: la sostanza su cui è basato lo studio del gruppo di ricerca della McGill è l’adenosina trifosfato (ATP), una molecola presente in tutti gli organismi viventi, che fornisce energia a tutte le loro cellule. Il “computer vivente” appare simile ad una città vista dall’alto: una miriade di canali che corrono lungo la sua superficie, creando un fitto reticoli di vie e piazze, percorse da veicoli, ognuno alimentato da un motore di taglia differente, e che consumano il carburante necessario a farli muovere. Tutto in una schedina quadrata di 1.5 cm di lato.

Considerando una rapida analogia con i circuiti elettronici, in quel caso a muoversi lungo le piste sono gli elettroni, che col loro flusso determinano le correnti necessarie a “trasportare” le informazioni da un punto ad un altro. In questo caso gli elettroni sono sostituiti da piccole stringhe di proteine, che si muovono lungo il circuito utilizzando come propellente proprio l’ATP: secondo Nicolau, in questo modo, dal momento che l’energia è fornita da agenti biologici, il consumo di energia calerebbe drasticamente rispetto a quello dei calcolatori elettronici standard. Questi generalmente, presentano consumi elettrici piuttosto elevati, considerando che la conduzione di corrente provoca un riscaldamento che deve essere fronteggiato da un adeguato sistema di raffreddamento che, naturalmente, ha i propri consumi.

Il lavoro del tema di Nicolau rientra in un ambito più ampio, quello di macchine viventi, realizzate con sostanze organiche, uno degli obiettivi di una disciplina denominata Natural Computing, che si occupa, inoltre, di indagare sullo sviluppo di tecniche innovative per la risoluzione di problemi complessi che traggano ispirazione dalla natura, realizzate mediante sostanze organiche o anche computer tradizionali.

Qualche esempio? I cosiddetti automi cellulari, dei particolari modelli studiati in fisica, in matematica e in biologia costituiti da griglie di celle che possono avere differenti stati, i più semplici dei quali sono spento e acceso. Lo stato di ognuna delle celle dipende, ad ogni istante, da quello delle celle circostanti. Il più famoso di questi automi, “Game of Life”, è stato ideato dal matematico inglese John Conway: il suo scopo è dimostrare come comportamenti complessi sperimentabili nella realtà siano riconducibili a semplici insiemi di regole di sopravvivenza o interazione di celle che rappresentano individui. Si può giocare al Gioco della Vita di Conway anche online, provando ad ideare nuovi schemi o disposizioni iniziali per le celle, e divertendosi poi a scoprire come la creatura artificiale evolve nel tempo.

Gli sforzi dei ricercatori di utilizzare sostanze presenti negli esseri viventi e di emulare nelle logiche dei calcolatori tradizionali meccanismi ispirati dalla biologia hanno un unico, ambizioso obiettivo: la creazione di una nuova generazione di computer energeticamente più sostenibili e intelligenti, ispirati alla nostra stessa natura.

Riferimenti:  Pnas Doi: 10.1073/pnas.151082511

Credits immagine: Till Korten