Bausteine für biologische Maschinen

DNS-Moleküle, die Träger der Erbinformationen, lassen sich auch zu von der Biologie inspirierten Maschinen zusammensetzen. Forscher haben nun Motoren und Schaltkreise daraus konstruiert.

Was das Rasterkraftmikroskop über die Arbeit von Baoquan Ding und Nadrian Seeman berichtet, sieht ganz und gar nicht spektakulär aus. Verwaschene, helle Flecken finden sich mal in der Mitte einer Aufnahme, mal am Rand, so dass man sich unwillkürlich fragt, ob da nicht vielleicht jemand aus Versehen am Objektträger gewackelt hat. Trotzdem hat es das Foto der US-Chemiker in die aktuelle Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science geschafft.

Unter der (übersetzten) Überschrift "Bewegung eines DNS-Roboterarms in einem zweidimensionalen kristallinen DNS-Substrat" (doi: 10.1126/science.1131372) beschreiben Ding und Seeman, wie es ihnen gelang, DNS-Moleküle zu sinnvoller Arbeit anzuregen. Dazu verschränkten sie zwei DNS-Stränge derart, dass sie zwei räumlich unterschiedliche Zustände annehmen können. Der Übergang zwischen beiden ist von außen steuerbar. Ein Marker zeigt als "Last", dass die Moleküle tatsächlich Arbeit verrichten – sie könnten zum Beispiel auf molekularer Ebene Schalter bilden.

Rasterkraftmikroskop-Aufnahme der Bewegung des DNS-"Roboterarms". Das etwas heller dargestellte Gebiet wird dabei vor- und zurückgeschoben. (Bild: Eric Winfree / Caltech)

Die New Yorker Wissenschaftler gingen aber auch einen zweiten wichtigen Schritt: Es nützt uns ja nichts, wenn Nano-Maschinen nur in der Petrischale funktionieren. Seeman und Ding konnten ihren Roboterarm in einem kristallinen DNS-Feld positionieren, ohne dass er an Bewegungsfähigkeit einbüßte.

Wie stark zurzeit Biologie und Technik zusammenwachsen, zeigt aber ein zweiter aktueller Science-Artikel. Vier Forscher des California Institute of Technology (Caltech) führen darin vor (10.1126/science.1132493), wie sie DNS-Moleküle zur Konstruktion logischer Schaltkreise verwendet haben.

Prinzipiell eignet sich die Erbsubstanz für solche Zwecke recht gut, denn man kann sicher vorhersagen, wie sich bestimmte Basenpaare miteinander arrangieren werden. Seelig und Kollegen konnten einen kompletten Satz Boolescher Funktionen erzeugen (AND, OR, NOT) und dabei die Prinzipien hinter dem Design digitaler Schaltkreise umsetzen – ihr DNS-Schaltkreis (interessanterweise aus Mäuse-DNS – es handelt sich also um eine Art Mäusehirn) lässt sich kaskadieren, er verfügt über Fehlerkorrektur und ist modular mit anderen zu verknüpfen. Jedes Logik-Gate besteht aus einem oder mehreren DNS-Strängen und einem Ausgabe-Strang. Die Operation des Gates wird einzig vom Schließen und Öffnen der Basenpaare bestimmt. Der Ausgabe-Strang kann entweder als Eingabe für ein weiteres Logik-Gate dienen oder er wurde zur Beobachtung im Experiment mit Farbstoff markiert.

Die Berechnung startet, wenn man der Lösung mit all den Gates einsträngige Input-DNS-Moleküle hinzufügt. Jedes Gate kann dank einer Erkennungsregion auf den eigenen DNS-Strängen selbstständig diskriminieren, welcher Input für es bestimmt ist. Um die Modularität des Systems zu testen, konstruierten die Forscher eine Abfolge von immerhin elf Gates. Dabei zeigte sich, dass vor allem die Geschwindigkeit ein begrenzender Faktor ist: Die Schaltkreise benötigten zwei bis zehn Stunden für einen Programmablauf.

Schematische Darstellung der Logik des mit DNS erzeugten Schaltkreises (Bild: Eric Winfree / Caltech)

Eine weitere Herausforderung bei DNS-Computern besteht nun darin, dass sie sich eigentlich mit jeder Berechnung selbst auflösen. Ihre Bestandteile verändern sich im Laufe der chemischen Reaktionen, Hardware und Software sind identisch. Es müsste also gelingen, die Reaktionen so anzulegen, dass quasi als Beiprodukt neue Hardware (die auch wieder Software ist) entsteht. Der Programmierer muss gewissermaßen beim Entwurf eines Programms bereits darüber nachdenken, welche Probleme sein Kollege später mit denselben Nullen und Einsen lösen will.

http://www.heise.de/tp/artikel/24/24165/1.html