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News: DNA-Rechner

Jahr für Jahr bemüht sich die Halbleiterindustrie, die Leistung von Computerchips weiter zu steigern. Und tatsächlich übertreffen die Fähigkeiten so manches modernen Taschenrechners die von ehemaligen Großrechnern bei weitem. Doch nun stellten Forscher einen Supercomputer vor, der alles andere in den Schatten stellt, indem er Billionen von Rechenoperationen parallel bewältigt, dabei kaum Energie verbraucht und noch dazu winzig klein ist: nämlich nicht größer als ein Tröpfchen wässriger Lösung.
Die Aufgabe ist schwierig. Eine echt harte Nuss. Eine Primfaktorzerlegung einer solch großen Zahl, das kann doch kein Mensch im Kopf rechnen! Also schnell das Reagenzglas gegriffen, ein paar Tropfen aus der roten und der gelben Pipette mit der klaren Flüssigkeit gemischt und das Ganze auf den Gelfilm geträufelt. Ah! Eine Primzahl, na da hätte man ja lange suchen können.

So könnte es sich in Zukunft zutragen, wenn schnell mal ein mathematisches Problem gelöst werden muss. Denn was zunächst wie reine Sciencefiction anmutet, ist teilweise schon Realität. Yaakov Benenson und seine Kollegen vom Weizmann Institute of Science und des Israel Institute of Technology schufen einen Nanorechner, der eine Billion mal in ein Tröpfchen wässriger Lösung von nur 0,1 Milliliter passt. "Schufen" ist dabei eigentlich nicht ganz richtig, da der Computer schon existierte – er diente jedoch bislang einem anderen Zweck.

Denn die Forscher zweckentfremdeten zwei Enzyme als Rechner und die Erbsubstanz DNA als Software und gleichzeitig zur Ein- und Ausgabe von Daten. "Die lebende Zelle enthält unglaubliche molekulare Maschinen, die Informationen-tragende Moleküle wie DNA und RNA in ganz ähnlicher Weise manipulieren wie echte Rechner", erklärt Ehud Shapiro vom Weizmann Institute of Science. "Solange wir noch nicht wissen, wie wir diese Maschinen für unsere Zwecke verändern können oder wie wir neue herstellen, ist der Trick, natürliche Maschinen zu finden, die gemeinsam in gewünschter Weise rechnen."

Und so machte sich Benenson auf die Suche nach molekularen Prozessen, die dazu taugen könnten, eine einfache mathematische Rechenmaschine abzubilden, den endlichen Automaten. Ein solcher Automat rechnet mit einer endlichen Anzahl von Symbolen, wobei er eine Menge von Eingangswerten auf unterschiedliche Weise zu einem Ausgangswert verknüpft. Die Forscher kamen auf die Idee, in den vier Basen der DNA – also Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin – sowohl die Daten für die Rechnung als auch die Rechenvorschrift selbst zu codieren. Dabei speicherten sie die Informationen jedoch nicht auf dem ganzen DNA-Doppelstrang, sondern nur auf einem überstehenden, etwas längeren Strang, wie er beispielsweise nach der Zerstückelung eines DNA-Moleküls übrig bleibt.

Da man zwei solche DNA-Fragmente leicht über ihre überstehenden Molekülreste zusammenfügen kann, nennt man diese auch "klebrige Enden". Die Forscher wiesen nun jeweils einigen DNA-Molekülen beziehungsweise deren klebrigen Enden die Funktion eines Datenpakets zu, anderen wiederum oblag die Aufgabe der Software. Um nun mit den Molekülen zu rechnen, ließen die Wissenschaftler je ein Daten- und ein Software-Molekül aneinander kleben und verschmolzen die Nahtstelle mit dem Enzym Ligase. Die nötige Energie dazu lieferten ATP-Moleküle.

Nun kam das zweite Enzym, Fok-I, ins Spiel, denn es trennte das verschmolzene Molekül wieder an einer bestimmten Stelle auf. Der Prozess aus zusammenfügen und aufbrechen erfolgte nun mehrmals hintereinander, sodass sich die Basenabfolge auf dem klebrigen Ende änderte, was dem Ergebnis einer mehrmaligen Rechenoperation gleichkommt. Dieses Ergebnis ließ sich schließlich auslesen, indem man das Stück Daten-DNA mit einer bestimmten Ausgabe-DNA kombinierte und das resultierende Molekül mit Gel-Elektrophorese sichtbar machte.

Auf diese Weise konnten Benenson und seine Kollegen verschiedene Aufgaben lösen: Zum Beispiel ließ sich aus einer Liste von Einsen und Nullen bestimmen, ob die Anzahl der Einsen eine gerade Zahl ist, ob alle Nullen vor den Einsen stehen und ähnliches. 735 unterschiedliche Programme sollen mit dieser Methode möglich sein. Zwar sind das alles noch sehr einfache Aufgaben, aber sie zeigen, dass das Prinzip funktioniert. Im Kollektiv eines 0,1 Milliliter großen Tröpfchens lassen sich so Milliarden von Rechenoperationen pro Sekunde durchführen, wobei weniger als ein Milliardstel eines Watts an Leistung benötigt wird. Die Rechengenauigkeit liegt bei 98,8 Prozent.

Die Forscher könnten sich vorstellen, dass solche kleinen Recheneinheiten in Zukunft biochemische Veränderungen im Körper erfassen und selbstständig entscheiden, welche Gegenmaßnahmen zu treffen sind. So könnte beispielsweise eine bestimmte Menge einer Arznei automatisch verabreicht werden.

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