DNA-Computer führt Berechnungen mit Milliarden von Molekülen in einer Wassertropfen durch. )

Forscher haben ein DNA-basiertes Rechengemälde geschaffen, das Berechnungen über Milliarden von Molekülen innerhalb eines einzigen Wassertropfens durchführt. Das System ist als Scaffolded DNA Computer, oder SDC, bekannt, und es verlässt sich auf Thermodynamik anstatt auf Elektrizität, um seine Operationen auszuführen. Anstatt eine Berechnung durch einen Schritt-für-Schritt-Prozess zu erzwingen, ermöglicht das Design den Molekülen, sich auf ihren niedrigsten Energiezustand abzustatten, der dann das Ergebnis offenbart.

Eine am 16. September in Nature veröffentlichte Studie stellte eine neue Art von Computer vor, eine, die zu einer wachsenden Zahl von Forschungsarbeiten hinzukommt, in denen lebende Zellen und Standard-Hardware zusammenarbeiten. Dieses spezielle Design folgt seinem eigenen Kurs. Die SDC kann programmiert und wiederverwendet werden, obwohl sie langsamer als Silizium arbeitet, läuft sie schneller als andere DNA-Computer.

Funktionsweise der SDC

Ein langes DNA-Gerüst bindet kürzere DNA-Stränge zusammen, um die SDC zu bilden. Diese kurzen Stränge werden in eine kleine Menge Kochsalzwasser gegeben, dann erhitzt und abgekühlt. Die Temperaturänderungen verursachen, dass die Stränge sich basierend auf programmierten Regeln zu Strukturen verbinden. Jeder Strang verhält sich wie ein Puzzleteil, wobei seine Sequenz bestimmt, welche Teile miteinander und an verschiedene Positionen auf dem Gerüst verknüpft werden.

Laut Damien Woods, einem Professor für Informatik an der Maynooth University in Irland, der die Studie mitverfasst hat, ist die Schlüsselinnovation darin, wie die DNA-Moleküle zusammenarbeiten. Anstatt sie in einer festen Sequenz zusammenzubauen, konkurrieren sie miteinander um das Recht, sich an das Gerüst zu heften. Durch dieses Gerangel und Wettbewerb werden Informationen verarbeitet und eine Berechnung ausgeführt, die schließlich in einen energetisch bevorzugten Zustand übergeht, der das Ergebnis codiert.

Programmierung des Computers

Das Team wechselt zwischen Berechnungen, indem es frische DNA-Stränge aus dem Kühlschrank nimmt. Jedes Programm ist mit seiner eigenen Charge von Strängen verbunden, sodass eine Änderung der Berechnung oder eine Änderung der Eingabe bedeutet, einen anderen Satz aus dem Kühlraum zu nehmen.

Thermodynamik bildet die Grundlage der Methode, die die Tendenz physikalischer Systeme nutzt, stabilere Zustände zu erreichen. Während die Mischung erhitzt und dann abgekühlt wird, konkurrieren die Stränge um die stabilsten Anordnungen, wodurch die korrekte Konfiguration die energetisch günstigste wird. Sobald die Struktur sich gebildet hat, kodiert sie die Antwort und lässt die Moleküle „berechnen“ durch einfache Interaktion.

Was die Forscher testeten

Die Gruppe führte den SDC auf 10 Softwareprogrammen durch, darunter 100-Bit-Operationen. Bestimmte Summen, wie 10 plus 3, dauerten etwa 30 Sekunden. Komplexere Gesamtsummen erforderten deutlich mehr Zeit – eine schwierigere Summe in der Größenordnung von 11 Millionen bis 34 Millionen Elementen konnte bis zu 14 Stunden dauern.

Ihre Experimente umfassten über 700 Berechnungen. Die Programme deckten Addition, Multiplikation mit 3, Division durch 2 und achtbitte Paritätsprüfung ab, eine bekannte Form der Fehlerkorrektur in der Informatik. Kurze Berechnungen waren in weniger als einer Minute abgeschlossen, ein beeindruckendes Ergebnis angesichts der chemischen Reaktionen, die die gleiche Zeit oder länger in Anspruch nehmen.

Constantine Evans, ein Senior Research Fellow an der Maynooth University und Mitautor der Studie, beschrieb die Berechnungen als triviale Aufgaben, die jeder schnell selbst erledigen könnte, und merkte an, dass ein Siliziumcomputer dies in einem Augenblick bewältigen würde. Er wies darauf hin, dass das von seinem Team entwickelte System nur auf wenige Moleküle angewiesen ist, die niemals eine organisierte Abfolge von Schritten befolgen und niemals irreversible Schritte unternehmen, dennoch aber dennoch die richtige Antwort liefern. Er erklärte, dass selbst scheinbar einfache Operationen bei der Berechnung im molekularen Maßstab sehr schwierig zuverlässig durchzuführen sind.

Wiederverwendbarkeit und zukünftige Richtungen

Der SDC kann mehr als einmal verwendet werden. Viele frühere molekulare Computer wurden nur für einmalige Verwendung gebaut, aber dieses Design ermöglicht es, die Moleküle erneut zu verwenden. Die Forscher wiesen darauf hin, dass die Anwendungen noch ungewiss sind. DNA-basierte Systeme könnten bei der Datenspeicherung im molekularen Maßstab, bei Berechnungen, die wenig Leistung benötigen, oder sogar bei Geräten, die innerhalb lebender Zellen laufen, helfen.

Abeer Eshra, eine Assistenzprofessorin für Informatik und Mitautorin der Studie, erklärte, dass molekulare Computer nicht dazu bestimmt sind, elektronische Computer zu ersetzen. Stattdessen könnten sie in biologischen Umgebungen, intelligenten Materialien und der Archivierung von DNA-Daten Verwendung finden. Sie fügte hinzu, dass die Arbeit einen neuen Ansatz für die DNA-Datenspeicherung eröffnet, wobei alle Informationen, die in einem solchen System gespeichert sind, natürlich ihre eigene Fehlerkorrektur beinhalten.

Ein Vergleich von DNA-Computern

Das Tempo des SDC sticht hervor. Es bewegt sich langsamer als Silizium, ist aber schneller als andere DNA-Computer. Ein kleiner Tropfen Flüssigkeit enthält Milliarden und manchmal auch Billionen von DNA-Strängen, wie Eshra feststellte. Die Stränge wirken aufeinander, um eine Antwort zu liefern. (

Woods und Eshra beschrieben das System als programmierbar und wiederverwendbar und merkten an, dass es zwar langsamer ist als Silizium, aber dennoch schneller als die meisten anderen DNA-Computer arbeitet. Sie erklärten diese Mischung aus Eigenschaften – programmierbar, wiederverwendbar und relativ schnell für die molekulare Berechnung – als den Grund, warum das SDC heraussticht. (

Ein funktionierendes Modell wurde gebaut, um zu zeigen, dass Berechnungen auf molekularer Ebene ohne ständige Stromversorgung stattfinden können. Die Antwort erscheint natürlich, während sich das System in seinen niedrigsten Energiezustand einpendelt. Weitere Entwicklung hängt davon ab, ob die Forscher es vergrößern und seine Zuverlässigkeit durch wiederholte Nutzung beweisen können. Im Moment ist die eigentliche Geschichte einfach die Tatsache, dass es funktioniert. (

Quelle: „Scientists build a DNA computer that can perform calculations in a drop of water,” Live Science. (