Wissenschaftler realisieren frei programmierbaren DNA-Computer
Israelische Wissenschaftler haben einen frei programmierbaren endlichen Automaten mit zwei internen Zuständen auf der Basis von DNA-Strängen demonstriert.
Israelische Wissenschaftler haben einen frei programmierbaren endlichen Automaten mit zwei internen Zuständen und zwei Variablen auf der Basis von DNA-Strängen demonstriert. Yaakov Benenson und seine Kollegen vom Weizmann Institute of Science und des Israel Institute of Technology beschreiben ihre Arbeit in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature (Programmable and autonomous computing machine made of biomolecules Yaakov Benenson, Tamar Paz-Elizur, Rivka Adar, Ehud Keinan, Zvi Livneh, Ehud Shapiro, Nature Vol. 414, 22. November 2001, S. 430). Ihre Rechenmaschine verarbeitet Sequenzen aus den vier Basen der DNA Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin , wobei die Sequenzen sowohl die Daten für die Rechnung als auch die Rechenvorschrift selbst darstellen. Der "Rechenautomat" kann zwei Input-Variablen verarbeiten und nimmt dabei einen von zwei Zuständen an.
Die Wissenschaftler arbeiten mit einem definierten Satz von DNA-Fragmenten, die überstehende, etwas längere Einzelstränge so genannte "klebrige Enden" aufweisen, an denen sie bei passender Zusammensetzung mit anderen entsprechenden Molekülen zusammengefügt werden können. Um mit den Molekülen zu rechnen, mischten die Wissenschaftler Datenmoleküle, die den Startzustand repräsentierten und Softwaremoleküle, die für acht verschiedene Umwandlungen sorgen konnten, mit zwei Enzymen, die die notwendigen Prozesse vermitteln, sowie ATP als Energiespender.
Das Enzym Ligase verschmilzt passende Daten- und Software-Moleküle miteinander. Das zweite Enzym Fok-I trennt diese Kombination an einer anderen, definierten Stelle wieder auf. Nach mehrmaligem Zusammenfügen und Aufbrechen können die Wissenschaftler schließlich aus der Basenreihenfolge an dem klebrigen Ende das Ergebnis der "Berechnung" ablesen. Auf diese Weise konnten Benenson und seine Kollegen verschiedene Aufgaben lösen: Zum Beispiel ließ sich aus einer Liste von Einsen und Nullen bestimmen, ob die Anzahl der Einsen eine gerade Zahl ist oder ob alle Nullen vor den Einsen stehen.
Der große Vorteil des DNA-Computers besteht darin, dass er sehr viele Input-Sequenzen parallel verarbeitet, und dass auf einem sehr kleinen Volumen und mit extrem geringem Energiebedarf. Dass diese Möglichkeit nicht nur rein theoretisch besteht, konnte Leonard Adleman erstmals 1994 demonstrieren seine israelischen Kollegen konnten mit ihrem Experiment nun auch die freie Programmierbarkeit von DNA-Rechnern zeigen. Damit der DNA-Computer komplexere Probleme lösen kann, muss allerdings die Zahl der möglichen Zustände und Input-Variablen vergrößert werden. Die Wissenschaftler sind aber optimistisch, das dies mit der Realisierung einer neuen Klasse künstlicher Enzyme gelingen könnte.
(wst)
