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News: RNA löst 'Springerproblem'

Trotz der rasanten Entwicklung der elektronischen Datenverarbeitung sind die besten Schachcomputer immer noch biologischer Natur - wie das Gehirn des Großmeisters Gary Kasparov zum Beispiel. Nun hat eine andere Art von biologischem Computer ein bekanntes Schachproblem gelöst: ein Gefäß voller organischer Moleküle. Die richtige Mischung aus RNA, DNA und Enzymen bearbeitet alle möglichen Varianten gleichzeitig statt nacheinander. Und langsam werden die Aufgaben für die Molekülcomputer aufwendiger.
Die meisten Computer setzen Informationen in Bits um, die in Form von hohen oder niedrigen elektrischen Spannungen oder als Nord- bzw. Südausrichtung von magnetischen Feldern im PC gespeichert werden. Aber sie können auch ungewöhnlichere Formen annehmen, so etwa Makromoleküle wie DNA oder RNA. Die Evolutionsbiologin Laura Landweber und ihre Kollegen von der Princeton University benutzten RNA, um das "Springerproblem" auf einem 3 x 3-Schachbrett zu lösen. Es geht darum, eine bestimmte Anzahl von Springern zu plazieren, ohne dass sie sich gegenseitig bedrohen.

Um die vorgegebene Aufgabe mit einem regulären Computer zu bewältigen, würde man damit beginnen, jedem Feld des Schachbretts ein Bit zuzuweisen. Jedes Bit würde anzeigen, ob sich ein Springer auf diesem Feld befindet (1) oder ob die Position leer ist (0). Dann könnte man schlicht alle möglichen Kombinationen für die neun Felder durchspielen und die eliminieren, in denen sich die Figuren gegenseitig bedrohen.

Landweber wendete eine ähnliche Methode an. Zuerst synthetisierte sie 18 verschiedene DNA-Stücke, die aus je 15 Basenpaaren bestanden. Jedes Molekül repräsentierte hierbei ein Bit für eine bestimmte Position auf dem Spielfeld. Zum Beispiel bedeutete die Basenfolge CTCTTACTCAATTCT, dass sich kein Springer in der linken oberen Ecke befindet. Dann stellte die Biologin eine Mischung, eine so genannte "Bibliothek", aus Millionen von DNA-Strängen her, die alle möglichen Konfigurationen auf dem Brett repräsentierten.

Landweber beseitigte anschließend systematisch alle Kombinationen, bei denen ein Springer einen anderen schlagen konnte. Dafür stellte sie nach Standardverfahren anhand der DNA eine RNA-Kopie her. Mit Hilfe des Enzyms Ribonuclease H konnte die Biologin systematisch alle RNA-Moleküle spalten, die keine Lösung der Problematik darstellten.

Der enzymatische Ansatz ist möglich, weil sich das Springerproblem auf einen Satz logischer Aussagen reduzieren lässt. Zum Beispiel könnte eine lauten: "Entweder ist die obere linke Ecke frei oder die beiden Felder, die durch einen Springer in dieser Position bedroht werden, müssen leer sein." Um die Bedingungen zu erfüllen, teilte Landweber ihre Bibliothek in zwei Teile. In ein Gefäß gab sie ein Enzym, das die Sequenz für "es ist ein Springer in der oberen linken Ecke" angreift und spaltet, und zum anderen Teil setzte sie zwei Enzyme zu, die jene Basenfolgen als Zielsequenz haben, welche für die Anwesenheit eines Springers auf den beiden bedrohten Positionen stehen. Nach dem Aussondern der gespaltenen Fragmente enthielt keines der Gefäße mehr einen RNA-Strang, der sowohl die Sequenz für den Springer in der oberen linken Ecke als auch die für einen Springer in einem der bedrohten Felder besaß.

Landweber mischte anschließend die Inhalte beider Gefäße wieder und übersetzte die RNA zurück in DNA-Moleküle. Nach einer Vervielfachung der DNA-Fragmente, begann die Biologin mit der nächsten logischen Aussage. Durch Wiederholung der gleichen Prozedur für alle Bedingungen erhielt sie eine Mischung von DNA-Strängen, die sämtlichen Lösungsmöglichkeiten entsprechen.

Um wirklich nützliche und funktionierende Computer auf Nucleinsäurebasis zu entwickeln, müssen Wissenschaftler noch ein par gewaltige Hürden überwinden. aber Leonard Adleman von der University of Southern California, der 1994 den ersten Schachcomputer baute, ist zuversichtlich, dass die Nucleinsäure-Computer mehr werden können als eine teure Spielerei.

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