Berechnendes Erbgut - wissenschaft.de
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Berechnendes Erbgut

Israelische Forscher haben einen leistungsfähigen Computer entwickelt, der ausschließlich aus der Erbsubstanz DNA und zwei Enzymen besteht. Der DNA-Rechner schafft etwa eine Million Rechenschritte gleichzeitig und ist damit mehr als 1000-mal schneller als die bisherigen Versionen solcher Biocomputer. Dabei arbeitet das System vollkommen eigenständig, berichten Michal Soreni und seine Kollegen vom Technion-Institut in Haifa 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 immerhin 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: Ein so genanntes Restriktionsenzym spaltet DNA-Moleküle an genau definierten Bausteinabfolgen, und eine so genannte Ligase 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 mithilfe von Erbgutfragmenten, an die bestimmte Markermoleküle gekoppelt sind.

Bei einer Rechenoperation spaltet das Restriktionsenzym die eingegebenen DNA-Stücke an einer ganz bestimmten Stelle. Dabei entsteht der eigentliche Datenträger, ein DNA-Fragment, bei dem einer der beiden Stränge ein kurzes Stück übersteht. An dieses überstehende Ende lagert sich mithilfe der Ligase ein Software-Molekül an, das ebenfalls ein überstehendes Ende besitzt. Die Bausteinabfolgen der beiden Enden müssen dabei genau zusammenpassen.

Auf diese Weise entsteht ein neues Daten-Molekül, das wiederum vom Restriktionsenzym gespalten wird, diesmal jedoch an einer anderen Stelle. So gelang es den Wissenschaftlern, bei jedem Schritt neue Datenträger zu erzeugen, die sich von den vorher produzierten durch ihre Länge unterscheiden. Zum Auslesen werden die markierten Output-Fragmente hinzugegeben und die entstandenen Bruchstücke nach ihrer Länge geordnet.

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Im Gegensatz zum ursprünglichen Konzept des Rechners, bei dem die Forscher alle Moleküle zusammen in eine Lösung gegeben hatten, sind die Input-Moleküle 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 aufwändige Verschlüsselungen, da die vielen aufeinanderfolgenden Rechenoperationen ohne einen DNA-Schlüssel nicht nachvollzogen werden können. Eine andere potenzielle Anwendung sei die Diagnose von Krankheiten direkt im Körper, so die Forscher.

ddp/wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
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schwe|ben  〈V. i.; hat; bei Bewegung in einer Richtung: ist〉 1 sich langsam in der Luft bewegen, ohne festen Halt zu haben, sacht, langsam fliegen 2 frei hängen ... mehr

♦ hy|dro|lo|gisch  〈Adj.〉 zur Hydrologie gehörig, auf ihr beruhend

♦ Die Buchstabenfolge hy|dr… kann in Fremdwörtern auch hyd|r… getrennt werden.

Me|ta|ge|ne|se  〈f. 19; Biol.〉 ein Generationswechsel, bei dem eine geschlechtlich sich vermehrende Generation auf eine ungeschlechtlich sich fortpflanzende folgt, z. B. bei den Hohltieren [<grch. meta ... mehr

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