Erhebliche Flexibilität bei der Datenverarbeitung durch den Meister des biologischen Überlebens.
Chinesische Wissenschaftler aus mehreren nationalen Forschungseinrichtungen haben in der Zeitschrift Nature einen Artikel veröffentlicht, der einen Durchbruch in der DNA-basierten Datenverarbeitung bedeuten könnte. Die Forscher um Lv Hui et al. veröffentlichten, dass sie einen flüssigen, programmierbaren DNA-basierten Computer entwickelt haben, der Milliarden verschiedener Rechenschaltungen verarbeiten kann – was bedeutet, dass er ähnlich wie heutige CPUs zur allgemeinen Verarbeitung eingesetzt werden kann.
Aufgrund der Beschaffenheit seiner biologischen Einheiten bietet das DNA-Computing die Möglichkeit, immense Datendichten von bis zu 1 Milliarde Gigabyte pro Kubikmillimeter zu speichern – ein Segen für speicherintensive Speicher- und Verarbeitungsaufgaben. Bei einer derartigen Datendichte scheint die Manipulation der DNA als Informationsverarbeitungssystem etwas zu sein, das wir verfolgen wollen.
Dies gilt vor allem in Verbindung mit der größeren Flexibilität eines Computersystems, das DNA-Stränge als Ein- und Ausgänge verwendet. Das uns bekannte Rechensystem basiert auf der Fähigkeit, Informationen in einem binären System zu kodieren, zu speichern und zu verarbeiten: ein oder aus, null oder eins.
Beim DNA-Computing werden jedoch die vier wesentlichen DNA-Moleküle – Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin (ATGC) – verwendet, um ein Rechensystem aufzubauen, das mehr Informationen pro Operation speichern und verarbeiten kann. Während Transistoren nur entweder eine Null oder eine Eins zuordnen können, wenn sie eingeschaltet werden, kann das DNA-Computing 00, 01, 10 und 11 als A, T, G und C kodieren. Dadurch bietet das DNA-Computing mehr mögliche, komprimierte Kombinationen von Informationen, die das binäre System (0 und 1) nicht so leicht erreichen kann.
Nehmen wir an, wir wissen, dass die vier wesentlichen DNA-Moleküle (A, T, G und C) nur in einer bestimmten Weise miteinander verbunden sind. Wir können diese Eigenschaft als Rechenmechanismus für Additionen und Subtraktionen und komplexere und umfassendere (allgemeine) Operationen nutzen.
Aber es ist eine Sache, DNA-Stränge als Rechenmechanismus zu verwenden; es ist eine andere, sie so zu gestalten, dass man kontrollieren kann, welche Stränge sich verbinden, wenn man beginnt, den Computer mit zusätzlichen Strängen zu skalieren. Zusätzliche Kopien der einzelnen Stränge (und deren zusätzlicher Informationsgehalt) könnten sich willkürlich verbinden.
Um die tatsächliche Kontrolle in die Gleichung einzubringen, wird in dem Forschungspapier ein DNA-Origami beschrieben – eine DNA-Sequenz, die so gestaltet ist, dass sie zu einer 2D- oder 3D-Form werden kann. Interessanterweise ist diese Fähigkeit von Formen, verschiedene Informationselemente bereitzustellen, ein Prinzip, das im topologischen Quantencomputing und in der Arbeit von MC Esher erforscht wird und in der Supraleitung, Quantenmechanik und anderen Bereichen von grundlegender Bedeutung ist.
Bei der Anwendung auf DNA-Origami-Strukturen erschwert die Topologie das Aneinanderhaften kompatibler DNA-Stränge. Es reicht nicht mehr aus, dass ATGC-Moleküle auf TACG-Moleküle treffen – jetzt müssen sie auch noch gefaltet werden, damit sie zusammenpassen. Sie werden zu Teilen eines Rechenpuzzles.
Nach diesem Prinzip haben die Forscher einen DNA-Computer aus 30 Logikgattern (rund 500 DNA-Stränge) gebaut, mit dem sie genaue Quadratwurzelberechnungen durchführen konnten. Und in jedem Bereich der Informatik und Informationsverarbeitung ist Genauigkeit das A und O. Mit dieser nachgewiesenen Genauigkeit haben die Forscher ihren kleinen DNA-Computer eingesetzt, um drei genetische Moleküle zu identifizieren, die mit Nierenkrebs in Verbindung stehen. Innerhalb von zwei Stunden konnte der Computer korrekt feststellen, welche Proben die identifizierten Moleküle besaßen und welche nicht (innerhalb eines Pools von insgesamt 23 Proben, von denen 18 gesund waren und 5 an Lungenkrebs erkrankt waren).
Weitere Fortschritte bei präzisen, spezialisierten Berechnungsformen wie Quantencomputing, DNA-Computing und anderen werden den Forschern und der Menschheit helfen, unsere Welt zu verstehen. Daher ist es wahrscheinlich, dass die zukünftige Computerlandschaft ähnlich aussehen wird wie die heutige. Es scheint, dass insbesondere verschiedene Computerarchitekturen zusammenarbeiten müssen.
Vielleicht wird das DNA-Computing am wichtigsten sein, wenn es um die Bereitstellung von Kältespeichern mit extrem hoher Dichte geht, und nicht als allgemeiner Verarbeitungscomputer, der in einem Reagenzglas schwebt (was er tut; und ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber das habe ich nicht erwartet). Wer weiß?
