Die DNA soll uns aus der Computerflaute befreien. Da die Fortschritte bei der Verwendung von Silizium auslaufen, versprechen DNA-basierte Computer massive parallele Rechenarchitekturen, die heute unmöglich sind.

Aber es gibt ein Problem: Die bisher gebauten molekularen Schaltkreise sind überhaupt nicht flexibel. Die Verwendung von DNA zum Rechnen ist heute so, „als müsste man einen neuen Computer aus neuer Hardware bauen, nur um eine neue Software auszuführen“, sagt der Informatiker David Doty. Also machten sich Doty, Professor an der UC Davis, und seine Kollegen auf den Weg, um herauszufinden, was nötig wäre, um einen DNA-Computer zu entwickeln, der tatsächlich umprogrammierbar ist.

Wie in einem diese Woche in Nature veröffentlichten Artikel beschrieben, haben Doty und seine Kollegen vom Caltech und der Universität Maynooth genau das gezeigt. Sie haben gezeigt, dass es möglich ist, einen einfachen Auslöser zu verwenden, um ein und dieselbe Gruppe von DNA-Molekülen dazu zu bringen, zahlreiche verschiedene Algorithmen zu implementieren. Obwohl diese Forschung noch im Forschungsstadium ist, könnten umprogrammierbare molekulare Algorithmen in Zukunft zur Programmierung von DNA-Robotern verwendet werden, die bereits erfolgreich Medikamente an Krebszellen geliefert haben.

„Dies ist eine der wegweisenden Arbeiten auf diesem Gebiet“, sagt Thorsten-Lars Schmidt, ein Assistenzprofessor für experimentelle Biophysik an der Kent State University, der nicht an der Forschung beteiligt war. „

In elektronischen Computern wie dem, mit dem Sie diesen Artikel lesen, sind Bits die binären Informationseinheiten, die dem Computer sagen, was er tun soll. Sie stellen den diskreten physikalischen Zustand der zugrunde liegenden Hardware dar, in der Regel das Vorhandensein oder Fehlen eines elektrischen Stroms. Diese Bits oder vielmehr die elektrischen Signale, die sie implementieren, werden durch Schaltkreise geleitet, die aus logischen Gattern bestehen, die eine Operation an einem oder mehreren Eingangsbits durchführen und ein Bit als Ausgang produzieren.

Durch die Kombination dieser einfachen Bausteine über und über sind Computer in der Lage, bemerkenswert anspruchsvolle Programme auszuführen. Die Idee hinter dem DNA-Computing besteht darin, chemische Bindungen anstelle von elektrischen Signalen und Nukleinsäuren anstelle von Silizium einzusetzen, um biomolekulare Software zu schaffen. Laut Erik Winfree, Informatiker am Caltech und Mitverfasser der Studie, nutzen molekulare Algorithmen die natürliche Informationsverarbeitungskapazität der DNA, aber anstatt der Natur die Zügel in die Hand zu geben, so Winfree, „steuert die Berechnung den Wachstumsprozess.“

In den letzten 20 Jahren wurden in mehreren Experimenten molekulare Algorithmen eingesetzt, um Dinge wie Tic-Tac-Toe zu spielen oder verschiedene Formen zusammenzusetzen. In jedem dieser Fälle mussten die DNA-Sequenzen sorgfältig entworfen werden, um einen bestimmten Algorithmus zu erzeugen, der die DNA-Struktur generierte. Der Unterschied in diesem Fall besteht darin, dass die Forscher ein System entwickelt haben, bei dem dieselben grundlegenden DNA-Stücke so angeordnet werden können, dass sie völlig unterschiedliche Algorithmen – und damit völlig unterschiedliche Endprodukte – erzeugen.

Der Prozess beginnt mit DNA-Origami, einer Technik zum Falten eines langen DNA-Stücks in eine gewünschte Form. Dieses gefaltete DNA-Stück dient als „Keim“, der das Fließband der Algorithmen in Gang setzt, ähnlich wie eine in Zuckerwasser getauchte Schnur als Keim für die Züchtung von Kandiszucker dient. Der Keim bleibt unabhängig vom Algorithmus weitgehend gleich und wird bei jedem neuen Experiment nur in einigen wenigen kleinen Sequenzen verändert.

Nachdem die Forscher den Keim erstellt haben, wird er zu einer Lösung aus etwa 100 anderen DNA-Strängen, den so genannten DNA-Kacheln, hinzugefügt. Diese Kacheln, von denen jede aus einer einzigartigen Anordnung von 42 Nukleobasen (den vier biologischen Grundbausteinen der DNA) besteht, stammen aus einer größeren Sammlung von 355 DNA-Kacheln, die von den Forschern erstellt wurden. Um einen anderen Algorithmus zu erstellen, würden die Forscher einen anderen Satz von Startkacheln wählen. So benötigt ein molekularer Algorithmus, der eine zufällige Wanderung implementiert, eine andere Gruppe von DNA-Kacheln als ein Algorithmus, der zum Zählen verwendet wird. Wenn sich diese DNA-Kacheln während des Zusammensetzungsprozesses verbinden, bilden sie einen Schaltkreis, der den gewählten molekularen Algorithmus mit den vom Seed bereitgestellten Eingabebits umsetzt.

Mit diesem System schufen die Forscher 21 verschiedene Algorithmen, die Aufgaben wie das Erkennen von Vielfachen von drei, die Wahl eines Anführers, das Erzeugen von Mustern und das Zählen bis 63 erfüllen können. Alle diese Algorithmen wurden mit verschiedenen Kombinationen derselben 355 DNA-Kacheln implementiert.

Das Schreiben von Code durch das Einfüllen von DNA-Kacheln in ein Reagenzglas ist natürlich Welten von der Leichtigkeit des Tippens auf einer Tastatur entfernt, aber es stellt ein Modell für künftige Iterationen von flexiblen DNA-Computern dar. Wenn es nach Doty, Winfree und Woods geht, müssen die molekularen Programmierer von morgen nicht einmal über die zugrunde liegende Biomechanik ihrer Programme nachdenken, so wie Computerprogrammierer heute die Physik von Transistoren nicht verstehen müssen, um gute Software zu schreiben.

Dieses Experiment war Grundlagenforschung in Reinkultur, ein Beweis für ein Konzept, das schöne, wenn auch nutzlose Ergebnisse lieferte. Nach Ansicht von Petr Sulc, einem Assistenzprofessor am Biodesign-Institut der Arizona State University, der nicht an der Forschung beteiligt war, eröffnet die Entwicklung umprogrammierbarer molekularer Algorithmen für den Zusammenbau im Nanomaßstab jedoch eine breite Palette potenzieller Anwendungen. Sulc schlug vor, dass diese Technik eines Tages für die Schaffung von Fabriken im Nanomaßstab, die Moleküle zusammensetzen, oder von molekularen Robotern für die Verabreichung von Medikamenten nützlich sein könnte. Er sagte, dass sie auch zur Entwicklung von nanophotonischen Materialien beitragen könnte, die den Weg für Computer ebnen könnten, die auf Licht statt auf Elektronen basieren.

„Mit dieser Art von molekularen Algorithmen könnten wir eines Tages in der Lage sein, jedes komplexe Objekt auf Nanoebene mit Hilfe eines allgemeinen programmierbaren Kachelsatzes zusammenzusetzen, so wie lebende Zellen sich zu einer Knochenzelle oder Neuronenzelle zusammensetzen können, indem sie einfach auswählen, welche Proteine exprimiert werden“, sagt Sulc.

Die potenziellen Anwendungsfälle dieser Zusammenbautechnik im Nanomaßstab sind verblüffend, aber diese Vorhersagen beruhen auch auf unserem relativ begrenzten Verständnis des latenten Potenzials in der Welt der Nanoskala. Schließlich konnten Alan Turing und die anderen Begründer der Informatik das Internet kaum vorhersehen, also erwarten uns vielleicht ebenso unergründliche Anwendungen für die Molekularinformatik.

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