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DNA-Computer mit integrierter Energieversorgung

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Israelische Forscher haben einen DNA-Computer realisiert, der sowohl für seine Rechenoperationen als auch zur Energieversorung DNA benutzt. Die Gruppe um Ehud Shapiro vom Weizmann Institute of Science stellt ihre Arbeit in einem Aufsatz vor, der in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht worden ist. Der große Vorteil des DNA-Computers besteht darin, dass er sehr viele Input-Sequenzen parallel verarbeitet -- und das bei einem sehr kleinen Volumen und mit extrem geringem Energiebedarf.

Im November 2001 hatte die Gruppe bereits einen frei programmierbaren DNA-Computer vorgestellt, der seine Energie aus dem Molekül ATP bezieht. Der neue "Bio-Computer" soll nach Angaben der Wissenschaftler allerdings rund 50-mal schneller sein.

Um die Fähigkeiten ihres Computers zu demonstrieren, realisierten die Wissenschaftler auch in diesem Fall einen frei programmierbaren endlichen Automaten mit zwei internen Zuständen und zwei Variablen auf der Basis von DNA-Strängen. Die Rechenmaschine verarbeitet Sequenzen aus den vier Basen der DNA -- Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin --, wobei die Sequenzen sowohl die Daten für die Rechnung als auch die Rechenvorschrift selbst darstellen. Der "Rechenautomat" kann zwei Input-Variablen verarbeiten und nimmt dabei einen von zwei Zuständen an.

Die Wissenschaftler arbeiten mit einem definierten Satz von DNA-Fragmenten, die überstehende, etwas längere Einzelstränge -- so genannte "klebrige Enden" -- aufweisen, an denen sie bei passender Zusammensetzung mit anderen entsprechenden Molekülen zusammengefügt werden können. Um mit den Molekülen zu rechnen, mischten die Wissenschaftler Datenmoleküle, die den Startzustand repräsentierten, und Softwaremoleküle, die für acht verschiedene Umwandlungen sorgen konnten, mit zwei Enzymen, die die notwendigen Prozesse vermitteln, sowie mit ATP als Energiespender.

Das Enzym Ligase verschmilzt passende Daten- und Software-Moleküle miteinander. Das zweite Enzym Fok-I trennt diese Kombination an einer anderen, definierten Stelle wieder auf. Nach mehrmaligem Zusammenfügen und Aufbrechen können die Wissenschaftler schließlich aus der Basenreihenfolge an dem klebrigen Ende das Ergebnis der "Berechnung" ablesen. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel aus einer Liste von Einsen und Nullen bestimmen, ob die Anzahl der Einsen eine gerade Zahl ist oder ob alle Nullen vor den Einsen stehen.

Mehr dazu in Telepolis: (wst)

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