DNA-Computer

DNA-Computer,

 

Computertyp, der die einzigartigen chemischen Eigenschaften der Erbmoleküle (bestehend aus Desoxyribonukleinsäuren, DNS, engl. DNA) informationstechnisch nutzen soll; er befindet sich noch im Forschungsstadium. Die Grundidee eines solchen Computers besteht zum einen darin, dass wie in jeder biologischen Zelle Informationen in DNA-Molekülen gespeichert werden können. Die dabei mögliche Informationsdichte ist immens und übertrifft die von herkömmlichen, in der Computerindustrie verwendeten Speichermaterialien um viele Größenordnungen (etwa ein Pfund DNA in etwa 1 m³ Flüssigkeit enthält mehr Speicherkapazität als alle je hergestellten Computer). Zum anderen können diese Moleküle kopiert, aneinander gelegt, auseinander geschnitten und kombiniert, die kodierten Informationen also verarbeitet werden. Dazu stehen hochpräzise molekulare »Maschinen« (z. B. Polymerasen für die Synthese von DNA-Stücken) und Reaktionen (z. B. Polymerase-Kettenreaktion, engl. PCR, zur Vervielfältigung) zur Verfügung, die sich heute routinemäßig handhaben lassen. Die einzelnen Operationen sind zwar programmtechnisch gesehen sehr einfach, sie reichen jedoch einer Vielzahl von Algorithmen aus. Da sie massiv parallel durchgeführt werden können, erwartet man gewaltige Rechenleistungen, wie sie heute noch nicht erreichbar sind.

 

Der Ansatz zur Entwicklung von DNA-Computern geht auf einen 1994 erschienenen Aufsatz von Leonard Adleman über »Molecular Computation of Solutions of Combinatorial Problems« zurück. Adleman demonstrierte die Machbarkeit und potenzielle Leistungsfähigkeit eines DNA-Computers anhand des anspruchsvollen Handlungsreisenden-Problems. Die Verbindungen zwischen je zwei Städten wurden dabei zunächst als kleine DNA-Sequenzen kodiert und realisiert. Nach der Vervielfältigung dieser Sequenzen ließ man diese in einem Reagenzglas sich frei kombinieren, sodass große DNA-Ketten entstanden, welche die Wege des Handlungsreisenden darstellten. Bei genügend großer Zahl von anfänglichen DNA-Sequenzen musste sich darunter auch die gewünschte kürzeste Route befinden, die mit geeigneten Filtermethoden selektiert werden konnte. Tatsächlich gelang es in der Praxis, mithilfe der DNA-Methode das Handlungsreisenden-Problem für sieben Städte zu lösen. Insgesamt enthielt das Reagenzglas für diese »Berechnung« nur 100 Mikroliter Flüssigkeit (diesen DNA-Computer nannte Adleman daher TT-100).

 

Einen nicht nur auf ein spezielles Problem abgestimmten, sondern frei programmierbaren DNA-Computer zu entwickeln, stößt bisher noch auf immense Schwierigkeiten. Als Zwischenergebnisse wurden etwa Reaktionsmechanismen bei DNA-Lösungen hergestellt, die den logischen Operationen And und Or entsprechen, sowie einfache Verschaltungen solcher Operationen. Ende 2001 gelang es israelischen Wissenschaftlern, einen kleinen frei programmierbaren Rechner auf DNA-Basis zu erstellen.