Bioinformatik: Leben UND Logik passt NICHT zusammen, ODER doch?
In der Biochemie gelten Nukleinsäuren wie DNA und RNA schon lange als fadenförmige Wundermoleküle. Sie speichern nicht nur Informationen und geben sie an nachfolgende Generationen weiter, sondern basteln auch fleißig sich selbst um. Nun erweitern Wissenschaftler die Liste der Fähigkeiten um einen weiteren Punkt: DNA kann auch logische Schlüsse ziehen.
"Wenn du schon stehst, dann bring doch gleich den Müll raus." Es hat uns Menschen ein gehöriges Wegstück Evolution gekostet, um intellektuell für derartige Aussagenkonstruktionen gerüstet zu sein. Obgleich wenn-dann-Beziehungen nun nicht unbedingt den Gipfel der formalen Logik darstellen. Doch immerhin hat es bis zur IF-THEN-Zeile in der ach so logischen Programmierung ach so intelligenter Computer gereicht. Und die setzt noch eines drauf, indem sie das Eintreten der Folge mit AND gleich von zwei Bedingungen abhängig macht, mit NOT eine oder beide nicht erfüllt sehen will und sich mit OR befriedigt erklärt, wenn doch nur irgendeiner der Wünsche erfüllt wird. Durch geschickte Kombination dieser Module von WENN-DANN, UND, NICHT und ODER entsteht gar Software, die Quadratwurzeln ziehen kann, im Internet nach Websites sucht oder Großmeister im Schach besiegt. Ach ja, und in der Rechenzentrale Großhirn befähigt sie die Willigen unter uns, selbst zu entscheiden, ob es Zeit wird, den Abfall zu entsorgen.
Logik ist also nicht an Computer gebunden, nicht einmal an Silizium und kann im Prinzip schon im Reagenzglas ablaufen – vorausgesetzt, man hat vorher logisch erdacht, wie dieses Kunststück anzustellen wäre. So wie das Team von Wissenschaftlern um Georg Seelig vom California Institute of Technology. Im sonnigen Südwesten der USA ist nämlich ein Baukastensystem entstanden, das logische Folgerungen mit biochemischen Molekülen umsetzt. Die Nukleinsäuren RNA und DNA agieren hier als Einheit von Software und Hardware, die selbst einigermaßen komplexe Aufgaben lösen kann.
Dafür bringen die Moleküle zwei wesentliche Eigenschaften mit, die das regelgerechte Kombinieren und Folgern bedeutend erleichtern: Sie sind leicht programmierbar und bringen die Energie für die Ausführung der Programme selbst mit. Nukleinsäuren können nämlich als einzelner Strang vorliegen oder sich paarweise zusammenlagern. Wer der geeignetste Partner ist, entscheidet sich nach der Reihenfolge der Bausteine zweier Stränge. Je besser diese zueinander passen, umso stärker fällt die Bindung zwischen Strang und Strang aus. Was es den Forschern möglich macht, in eben jenen Sequenzen die Anleitungen für das logische Programm zu codieren. Und für das Lösen einer schwächeren Paarung zugunsten einer stärkeren reichen die Wärmebewegungen und die Bindungsenergie des neuen Paares aus.
Um damit Logik zu betreiben, muss zunächst ein geeigneter Satz DNA(oder RNA)-Stränge produziert und gemischt werden. Für eine simple WENN-DANN-Beziehung reicht es aus, Strang Alinks mit dem nicht optimal passenden Strang Brechts zu verbandeln und dann den vereinzelten Strang Arechts zuzugeben. Innerhalb von Minuten wird Arechts den Rivalen Brechts verdrängt haben, weil er einfach besser an Alinks passt. Übrig bleibt Brechts in Einzelsträngen, was sich mit den üblichen biochemischen Analysemethoden bequem nachweisen lässt. Gibt man hingegen etwas anderes als Arechts in die Lösung, beispielsweise Xrechts, so verändert sich gar nichts, und es gibt auch nach Stunden kein vereinzeltes Brechts. Oder in der Sprache der Logik gesprochen: WENN Arechts, DANN Brechts.
Ein bisschen verzwickter wird die UND-Schaltung. Etwa in der Form: WENN A UND C, DANN D. Hierfür könnte abermals A aus der Paarung AB das B freisetzen. Dieses würde dann aber mit einem weitere präparierten Doppelstrang reagieren, aus dem es sich ein passendes B-Gegenstück holt und dabei ein CD-Pärchen zurücklässt. Nur wenn dann auch C in die Probe kommt, wird das D vereinzelt.
Klingt kompliziert? Ist es auch. Aber es funktioniert und liefert dem geduldigen Biochemiker, der in mühevoller Kleinarbeit zuvor seine DNA-Stränge entworfen, synthetisiert und gemixt hat, innerhalb von Stunden ein logisches Ergebnis. Vorausgesetzt, er hat keinen Fehler gemacht, denn sonst paart sich X mit Y oder Z klammert sich mit dem vorderen Ende an sein hinteres, was bei Nukleinsäuren alles passiert und unbedingt für logische Mischungen zu vermeiden ist.
Auch die Geschwindigkeit der Erkenntnis sieht im Vergleich mit Siliziumprozessoren schlimmer als dürftig aus. Aber biochemische Schaltkreise sollen auch keineswegs gegen ihre halbleitenden Kollegen antreten. Sie könnten ihre Nischen in anderen Bereichen finden, in denen es nicht auf Tempo ankommt, sondern auf möglichst autonome Prozesse auf kleinstem Raum. Wie etwa in der Nanotechnologie, die seit Jahren vor dem Problem steht, ihre winzigen Bausteinchen zu fast ebenso winzigen Maschinchen zusammenzusetzen – eine Aufgabe, die selbst mit Rasterkraftmikroskopen beinahe unmöglich ist. Gebunden an DNA-Moleküle mit einprogrammiertem Auftrag wären hingegen Konstruktionen aus dem Reagenzglas machbar, die kein Silizium-gesteuerter Roboter hinbekäme. Die können dann stattdessen den Müll rausbringen.
Logik ist also nicht an Computer gebunden, nicht einmal an Silizium und kann im Prinzip schon im Reagenzglas ablaufen – vorausgesetzt, man hat vorher logisch erdacht, wie dieses Kunststück anzustellen wäre. So wie das Team von Wissenschaftlern um Georg Seelig vom California Institute of Technology. Im sonnigen Südwesten der USA ist nämlich ein Baukastensystem entstanden, das logische Folgerungen mit biochemischen Molekülen umsetzt. Die Nukleinsäuren RNA und DNA agieren hier als Einheit von Software und Hardware, die selbst einigermaßen komplexe Aufgaben lösen kann.
Dafür bringen die Moleküle zwei wesentliche Eigenschaften mit, die das regelgerechte Kombinieren und Folgern bedeutend erleichtern: Sie sind leicht programmierbar und bringen die Energie für die Ausführung der Programme selbst mit. Nukleinsäuren können nämlich als einzelner Strang vorliegen oder sich paarweise zusammenlagern. Wer der geeignetste Partner ist, entscheidet sich nach der Reihenfolge der Bausteine zweier Stränge. Je besser diese zueinander passen, umso stärker fällt die Bindung zwischen Strang und Strang aus. Was es den Forschern möglich macht, in eben jenen Sequenzen die Anleitungen für das logische Programm zu codieren. Und für das Lösen einer schwächeren Paarung zugunsten einer stärkeren reichen die Wärmebewegungen und die Bindungsenergie des neuen Paares aus.
Um damit Logik zu betreiben, muss zunächst ein geeigneter Satz DNA(oder RNA)-Stränge produziert und gemischt werden. Für eine simple WENN-DANN-Beziehung reicht es aus, Strang Alinks mit dem nicht optimal passenden Strang Brechts zu verbandeln und dann den vereinzelten Strang Arechts zuzugeben. Innerhalb von Minuten wird Arechts den Rivalen Brechts verdrängt haben, weil er einfach besser an Alinks passt. Übrig bleibt Brechts in Einzelsträngen, was sich mit den üblichen biochemischen Analysemethoden bequem nachweisen lässt. Gibt man hingegen etwas anderes als Arechts in die Lösung, beispielsweise Xrechts, so verändert sich gar nichts, und es gibt auch nach Stunden kein vereinzeltes Brechts. Oder in der Sprache der Logik gesprochen: WENN Arechts, DANN Brechts.
Ein bisschen verzwickter wird die UND-Schaltung. Etwa in der Form: WENN A UND C, DANN D. Hierfür könnte abermals A aus der Paarung AB das B freisetzen. Dieses würde dann aber mit einem weitere präparierten Doppelstrang reagieren, aus dem es sich ein passendes B-Gegenstück holt und dabei ein CD-Pärchen zurücklässt. Nur wenn dann auch C in die Probe kommt, wird das D vereinzelt.
Klingt kompliziert? Ist es auch. Aber es funktioniert und liefert dem geduldigen Biochemiker, der in mühevoller Kleinarbeit zuvor seine DNA-Stränge entworfen, synthetisiert und gemixt hat, innerhalb von Stunden ein logisches Ergebnis. Vorausgesetzt, er hat keinen Fehler gemacht, denn sonst paart sich X mit Y oder Z klammert sich mit dem vorderen Ende an sein hinteres, was bei Nukleinsäuren alles passiert und unbedingt für logische Mischungen zu vermeiden ist.
Auch die Geschwindigkeit der Erkenntnis sieht im Vergleich mit Siliziumprozessoren schlimmer als dürftig aus. Aber biochemische Schaltkreise sollen auch keineswegs gegen ihre halbleitenden Kollegen antreten. Sie könnten ihre Nischen in anderen Bereichen finden, in denen es nicht auf Tempo ankommt, sondern auf möglichst autonome Prozesse auf kleinstem Raum. Wie etwa in der Nanotechnologie, die seit Jahren vor dem Problem steht, ihre winzigen Bausteinchen zu fast ebenso winzigen Maschinchen zusammenzusetzen – eine Aufgabe, die selbst mit Rasterkraftmikroskopen beinahe unmöglich ist. Gebunden an DNA-Moleküle mit einprogrammiertem Auftrag wären hingegen Konstruktionen aus dem Reagenzglas machbar, die kein Silizium-gesteuerter Roboter hinbekäme. Die können dann stattdessen den Müll rausbringen.
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