RNS-Computer befiehlt, die Zelle gehorcht

Zwei US-Forscher haben RNS-Moleküle innerhalb einer Hefezelle dazu gebracht, grundlegende logische Operationen auszuführen

In der ferneren Zukunft gibt es keine Computer mehr. Wenn man aktuelle Szenarien extrapoliert, wie sie etwa das "ubiquitous computing" liefert, dann gibt es zwar noch jede Menge Rechenleitung, aber kein einzelnes Objekt mehr, das irgendeine Ähnlichkeit mit heutigen Schreibtisch-Rechnern hätte. Wohin verschwinden die Computer? In die Wände zum Beispiel, begleitet von Sensoren und Ausgabeeinheiten. Die Sensoren nehmen optisch, akustisch, olfaktorisch oder wie auch immer die Informationen auf, die wir Menschen ihnen bewusst oder unbewusst, freiwillig oder unfreiwillig überlassen.

Mit ihnen verknüpfte winzige Recheneinheiten, "smart dust", interpretieren die Daten. Ausgabeeinheiten stellen die Ergebnisse nicht nur dar, sie setzen auch die Umsetzung in Gang, indem sie die nötigen Gegenprozesse starten. Wie direkt diese Einflussnahme funktioniert, daran ist der Grad der jeweiligen Zukunftsutopie oder -dystopie abzulesen. Die Technik dafür wird in heutigen Labors schon entwickelt, unter anderem in Form der DNS-Computer. Zunächst galten diese als interessante Alternative zum Silizium. Die Speicherdichte des quaternären Systems DNS ist so groß, dass das Problem der geringen Verarbeitungsgeschwindigkeit chemisch-biologischer Prozesse dagegen vernachlässigbar erschien.

Die Fortschritte, die die Wissenschaft parallel in der Siliziumtechnik wie auch beim Quantencomputer erzielte, ließen dem DNS-Computer nach einer kurzen heißen Phase Anfang des dritten Jahrtausends (siehe Biologischer Nanocomputer) aber nicht mehr als eine Außenseiterrolle. Schließlich ermöglicht er, anders als der Quantencomputer, nicht etwa die Lösung völlig neuer Probleme. In der Welt der DNS gilt noch die einfache Logik des gesunden Menschenverstands. Mit ihrer Komplexität skalieren Probleme auf einem DNS-Computer ganz genauso wie solche auf einem herkömmlichen Rechner.

Cleveren Forschern fiel aber ein zweiter Vorteil auf, den das Arbeiten mit biologischen Molekülen mitbringt: Es ist viel einfacher, ein Interface zu einem ebenfalls biologischen System zu konstruieren. DNS-Computer sollten nun nicht mehr den Aktienkurs der kommenden Wochen vorhersagen, sondern für Diagnostik und Therapie dienen (siehe Pharma-Chips in der Blutbahn). Im vergangenen Jahr gelang es Wissenschaftlern in einer in Nature Biotechnology veröffentlichten Arbeit bereits, einer Zelle ein externes Programm einzuschleusen, das die Fluoreszenz einer Zelle steuerte. Der Zustand der Zelle selbst spielte dabei keine Rolle, alle Stimuli kamen von außen.

Im Wissenschaftsmagazin Science beschreiben nun zwei amerikanische Forscher, wie sie den nächsten Schritt bewältigt haben: die Übergabe von Informationen an ein biologisches System und die parallele Berücksichtung von internen und externen Daten bei der Informationsverarbeitung. Maung Nyan Win und Christina Smolke vom California Institute of Technology nutzten dazu zwei schon sehr alte Molekülarten: Ribozyme und RNS-Aptamere. Ribozyme können ähnlich wie Enzyme die Strukturen von Molekülen ändern. Aptamere wiederum binden sich an beliebige andere Moleküle bis hin zu Farbstoffen oder Antibiotika. Win und Smolke verwendeten Ribozyme, die zugleich Aptamere sind - das hat den Vorteil, dass die enzymatische Aktivität der Moleküle über weitere Stoffe regulierbar ist.

Die Konzentration zweier Proteine als Eingabe und die Bildung des Markers GFP (für dessen Entdeckung es erst vor ein paar Tagen den Nobelpreis gab) als Ausgabe ansetzend, konnten die Forscher grundlegende logische Operationen wie UND, ODER, NAND und NOR vorführen. Mit der Konstruktion eines Bandpass-Filters zeigen die Wissenschaftler zudem, dass sich ihre Bauteile modular einsetzen lassen.

Was fehlt noch zu einer wirklich praktischen Anwendung? Ein Durchbruch im Protein-Engineering, meint DNS-Computer-Altvater Ehud Shapiro in einem begleitenden Science-Artikel. Bis der erfolgt, müssten Forscher mit den Bausteinen der Natur arbeiten - anders als etwa Chipdesigner, die bereits ausgefeilte Entwurfswerkzeuge besitzen und ihre Entwürfe auch nicht selbst in eine Siliziumscheibe ätzen müssen.

http://www.heise.de/tp/artikel/28/28913/1.html