DNA

DNA als Langzeitspeicher für unsere Daten scheint nicht unrealistisch. Kann man mit DNA auch rechnen? Biologische Prozesse sind nix anderes als Informationsverarbeitung — DNA ist die Information und verarbeitet wird sie zu all den chemischen Prozessen in unserem Körper, von der Verdauung bis zum Marathon-Lauf. Können wir die Informationsverarbeitung der DNA auf Probleme aus der Informatik übertragen?

Die Prozessoren in unseren Rechnern werden alle paar Jahre halb so groß, halb so teuer und doppelt so schnell. Beobachtet hat das 1965 schon einer der Gründer der Firma Intel: Gordon Moore sagte voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikroprozessor knapp alle zwei Jahre verdoppelt. Aber diese Verdopplung hat ihre Grenzen. Und diese Grenzen liegen in der Physik. Die heutigen Leiterbahnen aus Silizium sind nur noch ein paar Atome breit. Derzeit fertigt Intel Prozessoren mit 14 Nanometer breiten Leiterbahnen. Bei 2 bis 3 Nanometern ist endgültig Schluss. Kleinere Halbleiter würden nicht mehr genügend bewegliche elektrische Ladungen besitzen um zu funktionieren. Davon abgesehen würden sich die Herstellungskosten für solche winzigen Halbleiter nicht mehr rechnen.

Richard Feynman. (Photo von Tamiko Thiel, CC BY-SA 3.0)

Richard Feynman. (Photo von Tamiko Thiel, CC BY-SA 3.0)

Sind wir damit an die Grenzen der Rechentechnik gestoßen? Sicher nicht. Wir müssen die Silizium-Straße verlassen und nach neuen Wegen suchen. Das können neue Materialien sein, oder aber völlig neue Konzepte. Richard Feynman — einer der großen Physiker des 20. Jahrhunderts — hatte schon 1959 die Idee, Rechenprozesse auf der Ebene von Molekülen und Teilchen durchzuführen. Und heute wird genau auf diesen Ebenen der Rechentechnik geforscht: die Rede ist von DNA-Computern und Quantencomputern (von letzteren habe ich keine Ahnung, da müsst ihr euch an die Physiker wenden).

Der erste DNA-Computer

Leonard Adleman (Photo von Leonard Adleman, CC BY-SA 3.0)

Leonard Adleman (Photo von Leonard Adleman, CC BY-SA 3.0)

Die Idee einen Computer auf Grundlage von DNA-Molekülen zu bauen stammt von Leonard Adleman. Adleman ist (nebenbei bemerkt) auch einer der drei Erfinder des RSA-Kryptosystems. 1994 veröffentlichte er in Science eine Lösung für das Hamiltonpfad-Problem durch einen DNA-Computer. An diesem Beispiel kann man recht deutlich sehen, wie Problemstellungen auf DNA Ebene modelliert werden können. Das Hamiltonpfad-Problem ist auch als Problem des Handlungsreisenden bekannt. Das Problem ist ein Klassiker der theoretischen Informatik. Bildlich gesprochen betrachten wir ein Netzwerk von Städten und suchen nach einer Route, die jede Stadt genau einmal besucht. Informatisch gesprochen betrachten wir einen Graphen und wollen jeden Knoten genau einmal besuchen. Genau genommen modellierte Adleman den DNA-Computer für ein gerichtetes Netzwerk (Einbahnstraßen) aus sieben Städten, inklusive einer Startstadt und einer Zielstadt. Er nannte ihn TT-100 — ein Reagenzglas (TestTube) mit 100 Mikrolitern DNA-Lösung.

DNA-Computer Modell nach dem Prinzip von Adleman für das Hamiltonpfad-Problem mit vier Städten.

DNA-Computer Modell nach dem Prinzip von Adleman für das Hamiltonpfad-Problem mit vier Städten.

Für jede Stadt und für jede Straße gibt es einen DNA-Strang. Jeder Strang ist zwanzig Nukleotide lang. Die Reihenfolge der Nukleotide in einem Stadt-Strang wird zufällig generiert. Ein Straßen-Strang setzt sich aus jeweils der Hälfte der beiden Stadt-Stränge zusammen. DNA liegt normalerweise als Doppelstrang vor. Die Nukleotide A und T und die Nukleotide C und G können Bindungen ausbilden. Der zweite Strang muss also das Gegenstück zum ersten Strang bilden. Diese Eigenschaft können wir nun ausnutzen, um eine Route zwischen den Städten zu erzeugen. In unser Reagenzglas schütten wir nicht die eigentlichen Stadt-Stränge, sondern deren Gegenstücke. Dann geben wir die Straßen-Stränge dazu. Natürlich geben wir nicht für jeden Strang genau ein Molekül in die Mischung, sondern extrem viele. Die Moleküle werden im Reagenzglas gemischt. Es bilden sich verschiedene Ketten, jede Kette ist eine mögliche Route im Netzwerk und somit eine mögliche Antwort. Wie finden wir heraus, welche Route die richtige ist, also durch alle sieben Städte genau einmal verläuft?

Zuerst entfernen wir alle Ketten, die nicht in der richtigen Stadt beginnen oder enden. Dann werden die Ketten nach Länge sortiert und nur die 140 Nukleotid-langen (= sieben Städte) werden behalten. Dann wird überprüft, ob jeder Stadt-Strang in der Kette vorkommt. Für jeden der drei Überprüfungsschritte gibt es gängige Verfahren im Labor; trotzdem ist das Auslesen der Lösung langwierig, kompliziert und erfordert viel Handarbeit — verglichen mit der Ausgabe der uns bekannten Rechentechnik.

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Kommentare (3)

  1. #1 Sim
    Dresden
    18. August 2016

    Schöner Artikel. Was ich am interessantesten fand ist die Erkenntnis, dass es sich dabei um einen heuristischen Ansatz handelt. Unter DNA-Rechnern könnte man sich ja auch sehr kleine Maschienen vorstellen die Dienst nach Vorschrift betreiben. Man muss da auch ein bisschen rudern, dass man da so ein Bild im Kopf hinbekommt. Zum Beispiel wenn ich mir vorstelle, dass da Moleküle im Wasser rumschwimmen dann muss man sich ja erstmal klar machen, dass die H2O-Moleküle ja die gleiche Größenordnung haben und dann dieser riesige Haufen an Nukleotid-Schnipseln und wie bekommt man dass dann in eine Form, dass man da automatisiert in vernünftiger Zeit ein Ergebnis ablesen kann usw. Aber das ist auf jeden Fall sehr spannend und hat sicherlich Potential.

    Anmerkung: Das Hamiltonkreis-Problem ist nicht identisch mit dem Problem des Handlungsreisenden. Bei ersterem wird ein beliebiger geschlossener Pfad der jeden Konten genau einmal passiert gesucht, bei letzterem der kleinste geschlossene Pfad der alle Knoten genau einmal passiert. Klein bezüglich Gewichtung der Kanten.

  2. […] Man kann – nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch – mit DNA nicht nur Speichermedien bauen, sondern auch tatsächlich rechnen. Wie in einem Prozessor. Noch ist das ganze eher eine Machbarkeitsstudie, aber es birgt interessante Ansätze für die Zeit nach dem Silizium-Chip, schreibt Bioninfowelten. […]

  3. #3 roel
    *******
    29. August 2016

    @Franziska Hufsky vielen Dank für den interessanten 2. Teil zur Zweckentfremdung der DNA und für den Link zur DNA22, den nutze ich jetzt zum vertiefen.