Bolle, biologia, computer

La natura è sempre stata una delle massime fonti di ispirazione per le ricerche e le invenzioni dell’uomo. Una logica che può applicarsi anche a dimensioni “nano”: lo dimostra il progetto HyGate, un Erc Horizon 2020 di cui è principal investigator il professor Alberto Giacomello della Sapienza Università di Roma.

Siamo nel campo della biomimetica: la ricerca mira a sviluppare nuove tecnologie ispirandosi ai meccanismi di gating nei canali ionici, quelli che in pratica fungono da “interruttori” nelle nostre cellule, lasciando o meno passare le correnti di ioni attraverso la membrana.

“Ci siamo concentrati su un particolare tipo di gating, idrofobico, che consiste nella formazione di bolle minuscole in grado di interrompere le correnti ioniche - spiega Giacomello - e abbiamo dato vita a un pool di ricerca multidisciplinare (fisici, biologi, biotecnologi, ingegneri di vario tipo) per affrontare questo problema sfaccettato”. Una volta individuati i principali meccanismi di gating in alcuni canali ionici, è partito il lavoro di modellistica per studiarne la funzione all’interno dei neuroni. “Siamo un gruppo principalmente computazionale: facciamo simulazioni per capire la natura multi-scala dei fenomeni, e il loro comportamento su scale più grandi. Un procedimento che si può fare solo al computer, che diventa una sorta di microscopio in grado di fornirci informazioni su questo enorme spettro di scale”.

A questo punto, Giacomello e il suo staff hanno costruito modelli di nanopori, trovando a poco a poco le regole fisiche con cui il gating idrofobico funziona. “Abbiamo unito biologia, approccio fisico e progettazione di nanopori - continua il professore - per sviluppare applicazioni neuromorfiche basandoci sul fatto che questi canali ionici, già nel cervello, svolgono operazioni di calcolo. E abbiamo proposto una versione molto semplificata del meccanismo biologico: presa una tossina, l’abbiamo ingegnerizzata per farla agire come unità di base per il calcolo neuromorfico. Un’operazione che promette di abbattere i costi dei calcoli dell’Intelligenza Artificiale, superando la logica per cui la memoria e il calcolo avvengono in luoghi separati del calcolatore. Invece nel nostro cervello - e in questi sistemi artificiali - calcolo e memoria avvengono nello stesso luogo, con enormi vantaggi in termini di efficienza. Il primo passo per sviluppare una unità fondamentale di calcolo neuromorfico, proprio come fanno i nostri neuroni con i canali ionici.

A HyGate si collega anche il progetto collaterale, NoDry: “Un Erc proof-of-concept legato a un tipo di attività industriale, la cromatografia, che presenta problemi simili, ovvero la formazione di bolle in materiali nanoporosi. Per cui stiamo cercando di simulare nuovi materiali e protocolli”, chiude Giacomello.