Eine Billion Computer in einem Tropfen Wasser

Wissenschaftler bauen aus biologischen Molekülen einen winzigen Computer

23.11.2001

Einer Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Ehud Shapiro am Weizmann Institut gelang es, aus biologischen Molekuelen einen winzigen programmierbaren Computer in einem Reagenzglas herzustellen. Wie in der heutigen Ausgabe der Zeitschrift Nature berichtet wird, ist dieser biologische Nanocomputer so klein, dass eine Billion (1.000.000.000.000) solcher Computer nebeneinander in einem Tropfen von einem Zehntel Milliliter waessriger Loesung bei Zimmertemperatur Platz finden und parallel rechnen koennen. Zusammen koennen diese Computer eine Milliarde Operationen pro Sekunde ausfuehren, mit einer Genauigkeit von ueber 99,8 Prozent pro Operation, wobei sie nur ein Milliardstel Watt Energie benoetigen. Die Studie koennte den Weg zu Computern weisen, die interaktiv mit der biochemischen Umgebung innerhalb des menschlichen Koerpers arbeiten und damit weitreichende biologische und pharmazeutische Anwendungsmoeglichkeiten erschliessen.

Eingabe, Ausgabe und 'Programm' des Computers bestehen aus DNS-Molekuelen. Als 'Hardware' benutzt der Computer zwei natuerlich auftretende Enzyme, die die DNS manipulieren. Werden diese in einer Loesung vermischt, erzeugen die Software- und Hardware-Molekuele harmonisch, ausgehend vom Eingabe-Molekuel, ein Ausgabe-Molekuel und bilden damit eine einfache mathematische Rechenmaschine, bekannt als endlicher Automat. Dieser Nanocomputer kann fuer die Loesung einfacher Aufgaben programmiert werden, je nachdem, welche Programm-Molekuele der Loesung beigemischt werden. Er kann zum Beispiel herausfinden, ob im Eingabe-Molekuel eine Liste aus einer ununterbrochenen Reihe von Nullen besteht, der eine ununterbrochene Reihe von Einsen folgt.

'Die lebendige Zelle enthaelt unglaubliche molekulare Maschinen, und die Art, wie sie auf die molekularen Informationstraeger wie DNS und RNS einwirken, ist grundsaetzlich der Berechnung mit Computern sehr aehnlich,' sagt Prof. Shapiro. 'Da wir solche Maschinen bislang nicht wirksam veraendern bzw. neue schaffen koennen, besteht der Trick darin, natuerlich existierende Maschinen zu finden, die in der Kombination zur Ausfuehrung von Rechenfunktionen gebracht werden koennen.'

Shapiro uebertrug genau diese Aufgabe seinem Doktoranden Yaakov Benenson. Er sollte die molekulare Umsetzung einer der einfachsten mathematischen Rechenmaschinen finden, eines endlichen Automaten, der errechnet, ob eine Liste von Nullen und Einsen eine gerade Anzahl von Einsen enhaelt. Bei der von Benenson ersonnenen Loesung spielen DNS-Molekuele und zwei natuerlich vorkommende, DNS-manipulierende Enzyme eine zentrale Rolle: Fok-I und Ligase. Vergleichbar mit einem biologischen Textredakteur funktioniert Fok-I als chemische Schere, die die DNS nach einem spezifischen Muster aufspaltet, waehrend das Enzym Ligase DNS-Molekuele zusammenschweisst.

Im Verlauf der Laborarbeit wurde Shapiro und seinem Team klar, dass sie mit derselben Methode alle acht moeglichen Operationsregeln zur Steuerung eines binaeren, mit zwei Symbolen operierenden endlichen Automaten umsetzen koennen. Mit den Programm-Molekuelen, zusammen mit zwei 'Ausgabe-Anzeige'-Molekuelen, die das Ergebnis der Berechnung sichtbar machen, koennen insgesamt 765 Software-Programme erzeugt werden. Einige dieser Programme wurden im Labor getestet, darunter wie oben erwaehnt der 'Gerade-Einser-Pruefer' (das Pruefprogramm fuer die Frage: Liegt eine Gerade Anzahl von Einsen vor?), und der 'Nullen vor Einser-Test' (fuer die Frage: Kommen die Nullen vor den Einsen?), sowie Programme welche pruefen, ob eine Liste von Nullen und Einsen mindestens (oder hoechstens) eine Null enthaelt, und ob die Reihe sowohl mit einer Null beginnt als auch mit einer Eins endet.

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