Am Weizmann Institut werden DNS-Computer einsatzfähig

05.08.2009

Biomolekulare Computer, die aus DNS und anderen biologischen Molekülen bestehen, existieren heute nur in einigen wenigen Speziallabors, weit entfernt vom normalen Computerbenutzer. Dennoch haben Tom Ran und Shai Kaplan, Forschungsstudenten im Labor von Prof. Ehud Shapiro im Fachbereich Biologische Chemie und Computerwissenschaften und Angewandte Mathematik am Weizmann Institut, einen Weg gefunden, "benutzerfreundliche" mikroskopische Computergeräte zu entwickeln, die komplexe Berechnungen und komplizierte Datenabfragen durchführen können.

Shapiro und sein Team am Weizmann Institut haben im Jahre 2001 den ersten autonomen, programmierbaren DNS-Computer vorgestellt. Dieses Gerät war so klein, dass eine Billion davon in einen Wassertropfen passten, und es konnte einfache Kalkulationen wie die Überprüfung von zwei verschiedenen Ziffern durchführen, um festzustellen ob eine gerade Anzahl einer der beiden Ziffern vorhanden ist. Eine modernere Version des Geräts, die im Jahre 2004 geschaffen wurde, identifizierte Krebs in einem Reagenzglas und sonderte ein Molekül ab, um ihn zu vernichten. Über die etwas beunruhigende Möglichkeit hinaus, dass solche biologischen Geräte eines Tages in den Körper injiziert werden könnten - als eine Art "Körperzellenarzt", der die Krankheit lokalisiert und ihre Verbreitung verhindert - ist es vorstellbar, dass biomolekulare Computer gleichzeitig Millionen von Kalkulationen durchführen.

Shapiro und sein Team haben ein fortschrittliches Programm für biomolekulare Computer entwickelt, das es ihnen ermöglicht logisch zu "denken". Die Abfolge der Schritte in diesem futuristischen Gerät ist bemerkenswerterweise sehr geläufig. Vor über 2.000 Jahren wurde von Aristoteles eine einfache Wenn-dann-Präposition aufgestellt: "Alle Menschen sind sterblich. Sokrates ist ein Mensch. Also ist Sokrates sterblich." Wenn eine Regel (Alle Menschen sind sterblich) und ein Fakt (Sokrates war ein Mensch) eingegeben werden, beantwortet der Computer die Frage "Ist Sokrates sterblich?" richtig. Das Team stellte weitere komplizierte Fragestellungen auf, denen mehrere Regeln und Fakten zugrunde lagen, und die DNS-Computer waren dazu imstande, die richtigen Antworten abzuleiten.

Gleichzeitig erstellte das Team ein Compilerprogramm zur Überbrückung zwischen einer höheren Programmiersprache und einem DNS-Computercode. Beim Übersetzen ließ sich die Fragestellung wie folgt eingeben: Sterblich (Sokrates)?. Beim Kalkulieren der Antwort wurden verschiedene DNS-Stränge, die die Regeln, Fakten und Fragestellungen repräsentierten, in einem Robotersystem assembliert und in einem hierarchischen Prozess auf einen Treffer durchsucht. Die Antwort wurde mit dem Aufleuchten eines grünen Lichts kodiert: Einige der Stränge hatten die biologische Version eines Lichtsignals - sie verfügten über ein natürlich fluoreszierendes Molekül, das an ein weiteres Protein angebunden war, das das Licht verdeckte. Ein spezielles Enzym, das von der Stelle der korrekten Antwort angezogen wird, beseitigte die "Verdeckung" und ließ das Licht aufleuchten. Die winzigen Wassertropfen, die die biomolekularen Datenbanken beinhalten, waren dazu befähigt, sehr schwierige Fragestellungen zu beantworten, und sie leuchteten in einer Farbkombination auf, die die komplexen Antworten repräsentierten.

Originalveröffentlichung: Nature Nanotechnologie 2009

Weizmann Institute of Science

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