DNA-Computer

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Als DNA-, RNA- oder allgemeiner auch Biocomputer werden Computer bezeichnet, die auf der Verwendung der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Ribonukleinsäure (RNA) als Speicher- und Verarbeitungsmedium beruhen. Sie stellen einen Bereich der Bioelektronik dar.

Die Entwicklung von Biocomputern befindet sich noch in der Anfangsphase. Die ersten theoretischen Anstöße, dass Datenverarbeitung auf der Basis biologischer Moleküle möglich sein muss, lieferte der Nobelpreisträger Richard Feynman, Begründer der Nanotechnologie, in einem Vortrag zum Ende der 1950er Jahre.

Geschichte[Bearbeiten]

Ursprünglich kam die Idee von Leonard Adleman von der University of Southern California, im Jahr 1994.[1] Adleman bewies in einem Machbarkeitsnachweis, dass man DNA zum Programmieren verwenden kann. Dieser Machbarkeitsnachweis bestand darin, dass er mit Hilfe von DNA eine Etappe des Hamiltonpfadproblem löste. Seit Adlermans erstem Experiment gab es schon große Fortschritte und man konnte beweisen, dass diverse Turingmaschinen produzierbar sind.[2][3]

Anfänglich lag das Interesse an dieser seinerzeit neuartigen Technologie bei der Lösung von „NP-schweren” Problemen. Sehr bald fand man jedoch heraus, dass jene Probleme womöglich doch nicht so einfach mit Hilfe von DNA-Computern zu lösen wären und man schlug dementsprechend seither mehrere „Killerapplikationen” vor, die seine Nützlichkeit bzw. seinen Anwendungsbereich und somit seine Daseinsberechtigung unter Beweis stellen sollten. Im Jahr 1997 schlug der Informatiker Mitsunori Ogihara in Zusammenarbeit mit dem Biologen Animesh Ray eine solche Applikation vor, die ein Beweis für die Anwendbarkeit für Boolesche Funktionen sein sollte, und beschrieben eine mögliche Implementierung.[4][5]

Im Jahr 2002 haben Wissenschaftler des Weizmann-Institut für Wissenschaften in Rehovot, Israel, einen programmierbaren molekularen Computer gebaut, bestehend aus Enzymen und DNA-Molekülen anstatt Silicon-Chips.[6] Am 28. April 2004 haben Ehud Shapiro, Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor und Rivka Adar vom Weizmann-Institut in der Fachzeitschrift Nature bekannt gegeben, dass sie einen DNA-Computer gekoppelt mit einem In- und Outputmodul gebaut haben, welcher in der Lage sein sollte, Krebsaktivitäten in einer Zelle aufzuspüren und bei Auftreten dieser ein Medikament abzugeben.[7]

Im Januar 2013 ist es Wissenschaftlern gelungen 750 Kilobytes auf DNA-Basis zu speichern. Gespeichert wurden eine JPEG-Datei, ein paar Shakespeare-Sonette und eine Audiodatei mit Martin Luther Kings Rede „I have a Dream”.[8]

Im März 2013 haben Wissenschaftler einen biologischen Transistor, „Transcriptor“ genannt, gebaut.

Idee[Bearbeiten]

Die Organisation und Komplexität aller Lebewesen basiert auf einer Codierung mit vier verschiedenen Basen im DNA-Molekül. Dadurch stellt die DNA ein Medium dar, das für die Datenverarbeitung perfekt geeignet ist. Nach verschiedenen Berechnungen würde ein DNA-Computer mit einer Flüssigkeitsmenge von einem Liter und darin enthaltenen sechs Gramm DNA eine theoretische Speicherkapazität von 3072 Exabyte ergeben. Auch die theoretisch erreichbare Geschwindigkeit wegen der massiven Parallelität der Berechnungen wäre enorm. Pro Sekunde ergeben sich etwa Tausend Peta-Operationen, während die leistungsfähigsten Computer heute einige zehn Peta-Operationen pro Sekunde erreichen.

Techniken[Bearbeiten]

Es gibt mehrere Methoden zum Bau eines DNA-computerartigen Geräts. Jede dieser Methoden hatte seine ganz eigenen Vor- und Nachteile. Die meisten bauen die grundlegenden Logikgatter (UND, ODER, NICHT), welche man aus der digitalen Welt und der Booleschen Algebra kennt, aus auf DNA basis. Manche dieser Basen beinhalten DNAzyme, Desoxyoligonukleotide, Enzyme und Polymerase-Kettenreaktionen.

Toehold Exchange[Bearbeiten]

DNA-Computer wurden unter Anderem mit Hilfe des “toehold exchange concepts” gebaut. Im Zuge dieses Vorgangs, wird ein DNA-Strang an ein Sticky End, auch Toehold genannt, an einem anderen DNA Molekül befestigt. Dadurch kann dann ein anderer Strang ebenso deplatziert werden. Dies erlaubt ihnen modulare Logic Komponenten zu entwickeln, wie zum Beispiel “Und”, “Oder”, Nicht-Gatter und Signal Verstärkern, die mit beliebig großen Computern verbunden werden können. Dieser DNA-Computer benötigt weder Enzyme noch irgendeine der chemischen Eigenschaften der DNA.[9]

Beispiele[Bearbeiten]

1994 präsentierte Leonard Adleman mit seinem TT-100 den ersten Prototyp eines DNA-Computers in Form eines Reagenzglases mit 100 Mikrolitern DNA-Lösung. Mit Hilfe dieses Gerätes konnte er durch freie Reaktion der DNA einfache mathematische Probleme lösen.

In einem anderen Experiment wurde eine einfache Variante des Problems des Handlungsreisenden mittels eines DNA-Computers „gelöst“. Zu diesem Zweck wurde für jede zu besuchende Stadt der Aufgabenstellung ein Typ DNA-Fragment erzeugt. Ein solches DNA-Fragment ist zur Bindung an andere solche DNA-Fragmente fähig. Diese DNA-Fragmente wurden tatsächlich hergestellt und im Reagenzglas zusammengemixt. Es entstanden binnen Sekunden aus den kleineren DNA-Fragmenten größere DNA-Fragmente, die verschiedene Reiserouten repräsentierten. Durch eine chemische Reaktion (die Tage dauerte) wurden die DNA-Fragmente, die längere Reiserouten repräsentierten, eliminiert. Übrig blieb die Lösung dieses Problems, die jedoch mit heutigen Mitteln nicht ausgewertet werden kann. Dieses Experiment ist also nicht wirklich anwendungstauglich, jedoch ein Machbarkeitsnachweis.

Anwendung[Bearbeiten]

Es wird vorausgesagt, dass DNA-Computer vor allem dort neue Lösungen liefern können sollen, wo sie sich von „traditionellen Computern“ unterscheiden: In der Speicherkapazität und in der Parallelisierung.

Die Realisierung des DNA-Computers scheitert aktuell vor allem an technischen Problemen. Das Ziel der derzeitigen Forschung ist es, ein Hybridsystem zu schaffen, bei dem der DNA-Technologie elektronische Baugruppen vorgeschaltet werden.

Alternative Technologien[Bearbeiten]

2009 wurde eine Partnerschaft zwischen IBM und der CalTech eingegangen, mit dem Ziel “DNA-Chips” zu erschaffen.[10] Eine Arbeitsgruppe der CalTech arbeitet bereits an der Fabrikation der Schaltkreise die mit Nukleinsäuren betrieben werden. Einer dieser Chips kann ganze Quadratwurzeln berechnen.[11] Des Weiteren wurde schon ein Compiler[12] in Perl geschrieben.

Vor - und Nachteile[Bearbeiten]

Die Tatsache, dass der DNA-Computer nur sehr langsam Antworten produziert (die Reaktionszeit der DNA wird in sekunden, Stunden oder sogar Tagen gemessen, anstatt wie sonst üblich in Millisekunden) wird dadurch kompensiert, dass viele Rechnungen parallel laufen und somit die komplexität der gestellten Aufgabe nur geringe Auswirkungen auf die Rechendauer hat. Dies erklärt sich dadurch, dass das mehrere Millionen oder Milliarden Moleküle gleichzeitig miteinander interagieren. Allerdings ist es bisher weitaus schwieriger die Ergebnisse eines DNA-Computers zu verwerten als die eines Digitalen.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Thomas Buchholz, Martin Kutrib: Molekulare Computer. Rechnen im Reagenzglas. In: Spiegel der Forschung 15 (1998), Heft 1, S. 27–36 (Volltext)
  • Robert Ludlum: Die Paris Option. ISBN 3-453-43015-8 (belletristische Darstellung)
  • Ralf Zimmer: Ein universeller DNA-Computer. In: Der GMD-Spiegel ISSN 0724-4339, Heft 3/4, Oktober 1999, S. 24–28
  • Leonard M. Adleman: Rechnen mit DNA. In: Spektrum der Wissenschaft Dossier - Rechnerarchitekturen, 4/2000, S.50-57. (Adleman ist das A in RSA).
  • Zoya Ignatova, Israel Martinez-Perez, Karl-Heinz Zimmermann: DNA Computing Models. ISBN 978-0-387-73635-8, Springer, XIV, 288 p., 20 Illus., 2008.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Leonard M. Adleman (1994): Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science 266: 1021-1024. doi:10.1126/science.7973651
  2. Dan Boneh, Christopher Dunworth, Richard J. Lipton, Jir̆í Sgal (1996): On the computational power of DNA. Discrete Applied Mathematics Volume 71, Issues 1–3: 79–94. doi:10.1016/S0166-218X(96)00058-3
  3. Lila Kari, Greg Gloor, Sheng Yu: Using DNA to solve the Bounded Post Correspondence Problem. In: Theoretical Computer Science. 231, Nr. 2, January 2000, S. 192–203. doi:10.1016/s0304-3975(99)00100-0. — Describes a solution for the bounded Post correspondence problem, a hard-on-average NP-complete problem. Also available here: [1]
  4. M. Ogihara and A. Ray (1999): Simulating Boolean circuits on a DNA computer. Algorithmica 25: 239–250.PDF download
  5. "In Just a Few Drops, A Breakthrough in Computing", New York Times, May 21, 1997
  6. Stefan Lovgren: Computer Made from DNA and Enzymes. In: National Geographic. 24. Februar 2003. Abgerufen am 26. November 2009.
  7. Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, Rivka Adar, Ehud Shapiro (2004): An autonomous molecular computer for logical control of gene expression. Nature 429: 423-429 doi:10.1038/nature02551
  8. Rachel Ehrenberg: DNA stores poems, a photo and a speech. ScienceNews, eingestellt am 23. Januar 2013
  9. Georg Seelig, David Soloveichik, David Yu Zhang, Erik Winfree (2006): Enzyme-Free Nucleic Acid Logic Circuits. Science 314: 1585-1588. doi:10.1126/science.1132493
  10. [2](journal du CalTech)
  11. [3]
  12. [4] online