(Nanowerk News) Biomolekulare Computer, die
aus DNS und anderen biologischen Molekülen bestehen, existieren
heute nur in einigen wenigen Speziallabors, weit entfernt vom
normalen Computerbenutzer. Dennoch haben Tom Ran und Shai Kaplan,
Forschungsstudenten im Labor von Prof. Ehud Shapiro im Fachbereich
Biologische Chemie und Computerwissenschaften und Angewandte
Mathematik am Weizmann Institut, einen Weg gefunden,
"benutzerfreundliche" mikroskopische Computergeräte zu entwickeln,
die komplexe Berechnungen und komplizierte Datenabfragen durchführen
können.
Ehud Shapiro
Shapiro und sein Team am Weizmann Institut haben im
Jahre 2001 den ersten autonomen, programmierbaren DNS-Computer
vorgestellt. Dieses Gerät war so klein, dass eine Billion davon in
einen Wassertropfen passten, und es konnte einfache Kalkulationen
wie die Überprüfung von zwei verschiedenen Ziffern durchführen, um
festzustellen ob eine gerade Anzahl einer der beiden Ziffern
vorhanden ist. Eine modernere Version des Geräts, die im Jahre 2004
geschaffen wurde, identifizierte Krebs in einem Reagenzglas und
sonderte ein Molekül ab, um ihn zu vernichten. Über die etwas
beunruhigende Möglichkeit hinaus, dass solche biologischen Geräte
eines Tages in den Körper injiziert werden könnten - als eine Art
"Körperzellenarzt", der die Krankheit lokalisiert und ihre
Verbreitung verhindert - ist es vorstellbar, dass biomolekulare
Computer gleichzeitig Millionen von Kalkulationen durchführen.
Shapiro und sein Team haben, wie heute online in
Nature Nanotechnologie veröffentlicht wird, ein fortschrittliches
Programm für biomolekulare Computer entwickelt, das es ihnen
ermöglicht logisch zu "denken". Die Abfolge der Schritte in diesem
futuristischen Gerät ist bemerkenswerterweise sehr geläufig. Vor
über 2000 Jahren wurde von Aristoteles eine einfache
Wenn-dann-Präposition aufgestellt:
"Alle Menschen sind sterblich. Sokrates ist ein
Mensch. Also ist Sokrates sterblich." Wenn eine Regel (Alle Menschen
sind sterblich) und ein Fakt (Sokrates war ein Mensch) eingegeben
werden, beantwortet der Computer die Frage "Ist Sokrates sterblich?"
richtig. Das Team stellte weitere komplizierte Fragestellungen auf,
denen mehrere Regeln und Fakten zugrunde lagen, und die DNS-Computer
waren dazu imstande, die richtigen Antworten abzuleiten.
Gleichzeitig erstellte das Team ein Compilerprogramm
zur Überbrückung zwischen einer höheren Programmiersprache und einem
DNS-Computercode. Beim Übersetzen ließ sich die Fragestellung wie
folgt eingeben: Sterblich (Sokrates)?. Beim Kalkulieren der Antwort
wurden verschiedene DNS-Stränge, die die Regeln, Fakten und
Fragestellungen repräsentierten, in einem Robotersystem assembliert
und in einem hierarchischen Prozess auf einen Treffer durchsucht.
Die Antwort wurde mit dem Aufleuchten eines grünen Lichts kodiert:
Einige der Stränge hatten die biologische Version eines Lichtsignals
- sie verfügten über ein natürlich fluoreszierendes Molekül, das an
ein weiteres Protein angebunden war, das das Licht verdeckte. Ein
spezielles Enzym, das von der Stelle der korrekten Antwort angezogen
wird, beseitigte die "Verdeckung" und ließ das Licht aufleuchten.
Die winzigen Wassertropfen, die die biomolekularen Datenbanken
beinhalten, waren dazu befähigt, sehr schwierige Fragestellungen zu
beantworten, und sie leuchteten in einer Farbkombination auf, die
die komplexen Antworten repräsentierten.
Prof. Ehud Shapiros Forschungsarbeit wird finanziert
vom Clore Center for Biological Physics, dem Arie und Ida Crown
Memorial Charitable Fund, dem Phyllis und Joseph Gurwin Fund for
Scientific Advancement, von Sally Leafman Appelbaum in Scottsdale,
Arizona, der Carolito Stiftung in der Schweiz, dem Louis Chor
Memorial Trust Fund und von Miel de Botton Aynsley in England. Prof.
Shapiro hält den Harry-Weinrebe-Lehrstuhl für Computerwissenschaften
und Biologie inne.
Das Weizmann Institut in Rehovot, Israel, gehört
weltweit zu den führenden multidisziplinären
Forschungseinrichtungen. Seine 2600 Wissenschaftler, Studenten,
Techniker und anderen Mitarbeiter sind in einem breiten Spektrum
naturwissenschaftlicher Forschung tätig. Zu den Forschungszielen des
Instituts gehören neue Möglichkeiten im Kampf gegen Krankheit und
Hunger, die Untersuchung wichtiger Fragestellungen in Mathematik und
Informatik, die Erforschung der Physik der Materie und des
Universums und die Entwicklung neuer Werkstoffe und neuer Strategien
für den Umweltschutz.