Rechnen mit DNA Biocomputer machen Fortschritte
Der Rechner, den Michal Soreni und seine Kollegen vom Technion Israel Institute of Technology in Haifa entwickelt haben, besteht ausschließlich aus der Erbsubstanz DNA und zwei Enzymen. Schon seit Jahren arbeiten die Forscher auf dem Gebiet sogenannter Biocomputer. Diese nutzen das Erbmaterial der DNA als Speicher- und Verarbeitungsmedium. Der neueste DNA-Rechner des israelischen Teams schafft etwa eine Million Rechenschritte gleichzeitig und ist damit mehr als 1000-mal schneller als die bisherigen Biocomputer. Dabei arbeitet das System vollkommen eigenständig, berichtet Soreni in der Fachzeitschrift "Journal of the American Chemical Society" (Bd. 127, S. 3935).
Bereits vor drei Jahren hatten die Forscher einen DNA-Computer vorgestellt, der 765 Rechenoperationen parallel durchführen konnte. Der neue Rechner funktioniert nach dem gleichen Prinzip, hat aber deutlich mehr Rechenkapazität. In beiden Fällen besteht die Hardware des Computers aus zwei Enzymen: Eines spaltet DNA-Moleküle an genau definierten Bausteinabfolgen, und das andere fügt zwei zueinander passende Erbgutfragmente zusammen.
Eingegeben werden die Daten in Form von synthetischen DNA-Molekülen mit bekannter Sequenz. Als Software fungieren ebenfalls kurze DNA-Fragmente, deren Sequenz je nach Aufgabe der gewünschten Rechenoperation angepasst werden kann. Auch das Auslesen erfolgt mit Hilfe von Erbgutfragmenten, an die bestimmte Markermoleküle gekoppelt sind.
Tic-Tac-Toe am Biorechner
Im Gegensatz zum ursprünglichen Konzept des Rechners, bei dem die Forscher alle Moleküle zusammen in eine Lösung gegeben hatten, sind die Eingabe-DNA-Stücke in der neuen Version an einen goldbeschichteten Chip gekoppelt. Dieser Chip wird bei jedem Schritt nur mit den gerade benötigten Molekülen in Kontakt gebracht, wodurch die vielen parallelen Rechenoperationen erst möglich werden. Auch erhöhten die Wissenschaftler sowohl bei der Software als auch bei den datentragenden Molekülen die Anzahl der Varianten.
Verwendet werden kann der Rechner laut Studienleiter Ehud Keinan für aufwendige Verschlüsselungen, da die vielen aufeinander folgenden Rechenoperationen ohne einen DNA-Schlüssel nicht nachvollzogen werden können. Eine andere potenTielle Anwendung sei die Diagnose von Krankheiten direkt im Körper, so die Forscher.
Die Entwicklung von Biocomputern ist noch nicht sehr weit gediehen. Der erste Prototyp wurde 1994 von Leonard Adleman vorgestellt, der einfache mathematische Probleme lösen konnte. Vor zwei Jahren bauten amerikanische Forscher einen DNA-Rechner, der das Tic-Tac-Toe-Spiel beherrscht, bei dem man auf einer Spielfläche aus drei mal drei Feldern versuchen muss, eine Reihe aus drei Steinen zu legen. Der Biocomputer mit dem Namen Maya benötigte für einen Spielzug 15 Minuten, war aber immerhin in der Lage, sich mit menschlichen Gegnern zu messen.
