Wurzelziehen mit DNA

03.06.2011

Auf dem Weg zur molekularen Maschine, die Entscheidungen treffen und ausführen kann: ein DNA-Computer, der Quadratwurzeln ziehen kann

Als in den Neunzigern erstmals Computer, die mit Erbmasse rechnen, in den Labors konstruiert wurden, hatte man noch keine richtige Vorstellung von deren künftiger Anwendung. Zunächst hatte man nur das Potenzial im Blick: Sechs Gramm DNA in einem Liter Flüssigkeit, so berechnete man, könnten drei Trilliarden Bytes speichern. Da DNA-Computer massiv parallel arbeiten, wäre eine Rechengeschwindigkeit von einer Trillion Operationen pro Sekunde möglich. So weit die Theorie - doch bisher hat es sich als erstaunlich kompliziert erwiesen, die von der Natur bereitgestellten Werkzeuge ebenso effizient zu nutzen wie das die Natur selbst schafft.

Hinzu kommt, dass auch die konventionelle Rechentechnik seit Erfindung der ersten DNA-Computer erstaunliche Fortschritte gemacht hat. Aktuelle Grafikchips rechnen so schnell wie "damals" die Supercomputer. Und am Horizont wartet der sowieso alles übertreffende Quantencomputer auf seinen Einsatz.

Die Erbsubstanz hingegen, darüber sind sich die Forscher weitgehend einig, soll gewissermaßen bei ihren Leisten bleiben und idealerweise Probleme dort lösen, wo sie herkommt und die größte Rolle spielt: in der Zelle. Dabei schwebt den Forschern ein Diagnose-Werkzeug vor, das die analysierten Probleme auch gleich noch lösen kann. Bis es so weit ist, dürften allerdings noch ein paar Jahrzehnte vergehen, da viele Probleme noch ungelöst sind.

Hilfe über Wippen

Immerhin zeigen nun zwei US-Forscher in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science, wie sie zumindest einige der Hindernisse aus dem Weg räumen konnten. Sie setzen auf eine besonders einfache Herangehensweise, indem sie so genannte Seesaw-Gates ("Wippen") konstruieren, die DNA-Einzelstränge in bestimmten Positionen hybridisieren lassen - und dann die beiden Booleschen Werte True und False darstellen.

Die Forscher demonstrieren, dass sich mit solchen Seesaw-Gates eine komplette Logik darstellen lässt: Sie nutzen ihren "Computer", um die Quadratwurzel aus Vierbit-Zahlen zu ziehen. Die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen funktionieren autonom, das ist ein weiterer Vorteil, also ohne externe Steuerung. Angetrieben wird das ganze von zusätzlichen DNA-Strängen, dem "Treibstoff", die die nötige Energie liefern. Der Aufbau hat zudem den Charme, dass er relativ gut skalierbar ist.

Allerdings gibt es noch immer, wie der Informatiker John Reif in einem begleitenden Artikel schreibt, diverse Probleme. So ist die Ausführungsgeschwindigkeit sehr gering: Jedes Seesaw-Gate benötigt zwischen 30 und 60 Minuten, um seinen Zustand zu ändern. Die simple Quadratwurzel brauchte im Experiment deshalb sechs bis zehn Stunden. Das liegt vor allem an den langen Signal-Laufzeiten. Da ist uns die Natur schon noch um einiges voraus, denn sie kann im Sekundenrhythmus reagieren.

Wie bringt man den DNA-Computer in einer Zelle unter?

Außerdem mussten die Forscher für ihr Experiment ein paar Milliarden DNA-Abschnitte einsetzen - auch hier gibt sich die Natur weitaus bescheidener. Dass die Forscher so viel Experimentiermasse einsetzen mussten, liegt daran, dass jedes der Gates global über die ganze Anordnung definiert ist, man kann den Zustand eines Gates nur bestimmen, indem man den gesamten Zustand betrachtet.

Reif schlägt deshalb vor, sich hier bei der gewöhnlichen Halbleitertechnik zu bedienen, die rein lokal arbeitet: Der Zustand eines Gates wirkt sich nur auf die direkten Nachbarn aus. Ließe sich das auf die Arbeit mit DNA übertragen, würde sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit steigen als auch die nötige Anzahl an DNA-Strängen sinken.

Ein weiteres Problem wäre damit allerdings noch nicht gelöst: Wie bringt man den DNA-Computer dort unter, wo er nach aktueller Vorstellung hingehört, also in einer Zelle? Hier sind ja Enzyme etc. am Werk, die die Arbeit eines DNA-Computers beeinflussen würden. Behelfen könnte man sich hier, so Reif, indem man die DNA aus ungewöhnlichen Basen konstruiert oder besonders kurze RNA-Schnippsel nutzt.

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