Biologischer Nanocomputer

Israelische Forscher haben einen Rechner gebaut, dessen Hardware aus Enzymen besteht und die Software aus DNS

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals Nature berichten Yaakov Benenson, Tamar Paz-Elizur, Rivka Adar, Zvi Livneh und Ehud Shapiro vom Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel sowie Ehud Keinan vom Israel Institute of Technology in Haifa über den von ihnen entwickelten Neuro-Computer.

Bild: Weizmann-Institut

Rechner auf der Grundlage (Vgl. Lebendige Schaltkreise) und in Verbindung mit Zellen (Vgl. Schneckenzellen und Chip) zu erschaffen, ist eine der großen aktuellen Forschungsherausforderungen, denn die biomolekularen Potenziale sind enorm. Noch sind die Neurocomputer weit von ihrer praktischen Anwendung, bzw. kommerziellen Nutzung entfernt, bisher waren die Prototypen in jeder Phase ihrer Reaktionen auf direkte menschliche Überwachung und Intervention angewiesen.

Der Automat, den das Team um Ehud Shapiro jetzt vorstellt, bedarf nur der richtigen molekularen Mischung um zu laufen. Innerhalb einer Stunde entwickelt er ein DNS-Molekül das für die gestellte, einfache Rechenaufgabe steht. DNS-Computer können potenziell wesentlich mehr Operationen gleichzeitig ausführen als auf Silizium-Chips basierende und sie haben den weiteren Vorteil, extrem winzig zu sein: die Forscher sagen, dass eine Billion der kleinen Maschinen in einen Wassertropfen passen würden. Zudem ist ihr Energieverbrauch äußerst gering.

Shapiro und Kollegen denken auch einen Einsatz ihrer Nano-Geräte innerhalb des menschlichen Körpers, wo sie in vivo Fehlfunktionen diagnostizieren und behandeln könnten. Die Vorstellung ist eine fantastische Reise durch den Körper, biologische Nano-Roboter, die im menschlichen Organismus jede beginnende Krankheit sofort erkennen und kurieren könnten, noch bevor es zu Schäden kommt. Der Erbgut-Experte Zvi Livneh aus dem Team kommentiert:

Zum Beispiel könnte ein solcher künftiger Computer abnormale biochemische Vorgänge im Körper aufspüren und gleich entscheiden, wie sie behoben werden könnten, indem er eine entsprechendes Medikament synthetisiert und unmittelbar frei setzt.

Der Neuro-Computer besteht aus 2strängigen DNS-Molekülen mit zwei natürlichen Enzymen, die fähig sind, die DNS zu manipulieren: FokI, das DNS zerschneidet und Ligase, das zwei DNS-Moleküle zusammen schweißen kann. Wenn sie in einer Lösung zusammen gemischt werden, wird das Input-Molekül durch Software- und Hardware-Moleküle verändert und so ein Output-Molekül erzeugt, das die Lösung der gestellten Rechenaufgabe beinhaltet. Dabei kann bei diesem Modell aus verschiedenen Software-Molekülen gewählt werden, die insgesamt fähig sind 765 Programme zu erzeugen, um einfache Aufgaben zu bearbeiten. Der Nano-Rechner kann zwei Variablen verarbeiten, also zwischen 0 und 1 unterscheiden, wobei er entsprechend die Zustände verändert.

Die Codierung der DNS: "CTGGCT" im Input-Molekül steht für 1 (im Diagramm = a) und "CGCACG" für 0 (im Diagramm = b).

Das Input-Molekül, wenn es mit den Hardware- und den Software-Molekülen gemischt wird: Wenn das Hardware-Molekül FokI die DNS zerschneidet, bleibt ein längerer Einzelstrang stehen, das so genannte "klebrige Ende" (Englisch: "sticky end"). FokI läßt entweder den "Kopf" oder den "Schwanz" angefügt - das sind zwei mögliche Zustände.

Zwei Moleküle mit komplementären "klebrigen Enden" können sich temporär zusammen schließen, dieser Prozess wird Hybridisierung (hybridisation) genannt. In jedem Schritt des Prozesses hybridisert das Input-Molekül mit einem Software-Molekül, was dem Hardware Molekül Ligase das Zusammenschweißen der beiden erlaubt.

Nach diesem mehrfachen Prozess des Zerschneidens und Zusammenschweißens können die Wissenschaftler am Ende am Output-Molekül das Resultat ablesen.

Der Prototyp dieses biologischen Rechners ist zu einfach, um unmittelbar zu praktischen Anwendungen zu führen, aber er ist eine Grundlage zur Entwicklung weiterer und komplexerer Nano-Computer. (Andrea Naica-Loebell)