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Ein molekularer Computer auf DNA-Basis
Zu Gast in der e2i - Philip Babcock |
Die Idee, einzelne Moleküle als Basis für Rechenoperationen auf Nanoebene heranzuziehen, wurde bereits vom amerikanischen Nobelpreisträger Feynman formuliert. Doch erst die rasanten Entwicklungen auf dem Gebiet der Biochemie in den vergangenen Jahrzehnten führten zu einem Molekül, das für solche Zwecke allein durch seine biologische Bedeutung ideal erscheint: der DNA, dem Erbgutspeicher, dessen Basensequenz neu als Datenspeichermatrix interpretiert wird. Prof. Adleman von der University of Southern California zeigte in seinem Pionierversuch 1994, das dieses Forschungsfeld einleitete, wie ein einfaches Graphenproblem mit DNA-Molekülen gelöst werden kann. Seitdem erforschen IT-Konzerne (Olympus, IBM) und Wissenschafter weltweit (Princeton, Weizmann-Institut, Columbia) das gigantische Potential eines DNA-Computers, der vor allem bei komplexen Graphenproblemen und in der Kryptologie weitaus rascher, genauer und energieeffizienter als herkömmliche Computer einsetzbar wäre.
Die Vorteile sind beeindruckend: Aufgrund der geringen Größe und der daraus resultierenden Speicherungsdichte (1µg DNA kann Trillionen Byte speichern), der Energieeffizienz (1 Operation benötigt ca. 10-10 J) und der ausgezeichneten Genauigkeit durch die Watson-Crick-Basenpaarung auf molekularer Ebene ist DNA als Informationsspeicher und –prozessor ideal geeignet. Hinzu kommen die leichte Verfügbarkeit und eine 100 %-ige Umweltverträglichkeit. Man rechnet generell im Vergleich zu herkömmlichen Computern mit einer 109-fachen Energieeffizienz, einer 1012-fach höheren Speicherkapazität und 1015 mal mehr Prozessen pro Sekunde. Der Input erfolgt durch Synthese von DNA mit spezifischer Sequenz, Berechnungen belaufen sich auf Aneinanderlegen von DNA-Strängen mit komplementären Sequenzen oder gezielter Bearbeitung mit speziellen Enzymen, die die Moleküle zerschneiden, neu aneinanderfügen oder chemisch modifizieren. Moleküle, deren Sequenzen Lösungen codieren, werden mittels PCR vervielfältigt und sequenziert, woraus man die Information ablesen kann, oder durch eine Elektrophorese ihrer Masse nach aufgetrennt, was ebenfalls Aussagekraft hat.
Zur Zeit existieren sehr gute theoretische Konzepte, aber die praktische Umsetzung stößt vor allem auf chemische Probleme. Die eigentliche Berechnung, die die Moleküle durchführen, dauert nur Sekundenbruchteile; die Rechengeschwindigkeiten übertrifft hier sogar Hochleistungsrechner. Allerdings ist die Auswertung, der Output der Daten, im Vergleich dazu aufgrund der verwendeten Verfahren aus der Biochemie noch zeitintensiv. Zudem stellt sich die Frage, mit welcher Genauigkeit diese Auswertungsverfahren arbeiten. Um diesen aktuellen Problemen nachzugehen, führte ich am Wiener Institut für Biochemie und Molekulare Zellbiologie der Universität Wien (Max Perutz Laboratories) Versuchsreihen durch und testete zwei Kernverfahren, PCR zur Vervielfältigung und die Gelelektrophorese zum Output auf diese Kriterien unter Berücksichtigung relevanter Faktoren eines praktischen molekularen Rechners. Anhand zweier Gene wurde ein simples Bool’sches Gatter erprobt und nach Möglichkeiten zur Genauigkeits- und Geschwindigkeitssteigerung gesucht. Die Ergebnisse sind innerhalb eines Massenintervalls der DNA exzellent an die theoretischen Werte approximiert. Mittels einfacher kombinatorischer Schritte kann zudem erheblich Zeit gespart werden. Diese Erkenntnisse wurden auch in einem theoretischen, zyklischen Modell eines DNA-Rechners zusammengefasst, das eine hohe Ersparnis an Material und Energie aufweist, da dieselben Moleküle mehrfach eingesetzt werden können.
Zukünftige Errungenschaften dieses Forschungsfeldes sind vor allem in der Informatik für spezielle Probleme (DNA kann den DES-Code der NSA in 4 Monaten knacken), in den molekularen Biowissenschaften zur Beschleunigung von Genomsequenzierungen und in der Medizin zur Datenverarbeitung bei Implantaten und als Prüfeinheit auf korrekte Wirkstellen bei speziellen Impfstoffen in den nächsten Jahren zu erwarten. |
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| Philip Babcock
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uh
25/07/2005 09:10 |
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13/08/2010 08:18