Präzise programmiert, korrekt kombiniert

DNA-Rechner produziert erstmals differenzierte Ergebnisse

04.01.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

DNA, eignet sich nicht nur zum Speichern von Erbinformationen, sondern auch als Rechner-System. DNA-Rechner visualisierten ihre Ergebnisse bisher mittels eines binären Codes. (Bildquelle: © iStock.com/ktsimage)
DNA, eignet sich nicht nur zum Speichern von Erbinformationen, sondern auch als Rechner-System. DNA-Rechner visualisierten ihre Ergebnisse bisher mittels eines binären Codes. (Bildquelle: © iStock.com/ktsimage)

Das Erbgut aller lebenden Organismen speichert Informationen und eignet sich als Rechner-System: Biomoleküle können logische und kombinatorische Operationen durchführen. Erstmals ist es nun gelungen, dass ein DNA-Rechner statt eines binären visuellen Signals ein Ergebnis in differenzierter Form anzeigen konnte. Das erweitert die potentiellen Anwendungsmöglichkeiten der zwar noch in den Kinderschuhen steckenden Technologie, der jedoch ein Potenzial jenseits der Grenzen siliziumbasierten Chips prophezeit wird.

Genau wie ein USB-Stick oder ein Tonträger ist die DNA ein Speicher-Medium: Sie enthält Informationen, die auf spezifische Signale hin übersetzt werden – statt in Musik oder in eine Text-Datei in ein Protein und in seiner Gesamtheit in einen einzigartigen Phänotyp. DNA unterscheidet sich von nicht-biologischen Speichermedien in einer interessanten Eigenschaft: Ihre Bausteine, die Nukleotide mit den Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, fügen sich selbständig zu einem mehrere Sequenzen langen DNA-Molekül zusammen (self-assembly) – mit einer allerdings immer noch recht hohen Fehlerquote. 

Nichtsdestotrotz hat DNA gegenüber elektronischen Speichern eine (zumindest theoretisch) enorm hohe Speicherkapazität. Außerdem geht man davon aus, dass ein DNA-Computer eine sehr hohe Geschwindigkeit erreichen kann, weil die Biomoleküle zu parallelen Berechnungen in der Lage sind. Als erster bewies 1994 Leonard Adleman, dass man mit DNA programmieren kann. Aus seinem Experiment, DNA das „Problem eines Handlungsreisenden“ lösen zu lassen ist inzwischen der Forschungsbereich der DNA-Nanotechnologie geworden. 

DNA-Nanotechnologie

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Die Grundbausteine von Desoxyribonukleinsäure (kurz: DNA) sind Nukleotide. Diese bestehen aus dem Zucker Desoxyribose, einem Phosphatrest und den vier Nukleobasen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Doch DNA ist mehr als ein einfaches Biomolekül. Man kann mit DNA auch programmieren.

Die Grundbausteine von Desoxyribonukleinsäure (kurz: DNA) sind Nukleotide. Diese bestehen aus dem Zucker Desoxyribose, einem Phosphatrest und den vier Nukleobasen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Doch DNA ist mehr als ein einfaches Biomolekül. Man kann mit DNA auch programmieren.

Bildquelle: © iStock.com/isak55

In der Zukunft sollen DNA-Nanostrukturen breite Anwendungsmöglichkeiten finden, von der Biophysik und Photonik bis hin zur Medizin. So sollen zum Beispiel in der Therapie dreidimensionale DNA-Nanostrukturen als Vektoren dienen, die kleinste Mengen von Medikamenten gezielt und mit weniger Nebenwirkungen in ein Zielgewebe bringen. Für einen Rechner aus Nanostrukturen gäbe es in der Diagnostik Gebrauch, um genetische Krankheitsbilder zu identifizieren: Was wäre besser für eine präzise Diagnose genetisch bedingter Krankheiten geeignet, als ein DNA-Schnipsel, der sich mit seinem Gegenstück zusammenfügt und daraufhin signalisiert „ich hab’s“? 

Mit „ich hab’s“ oder „ich hab’s nicht“, also anhand eines binären Signals, visualisierten DNA-Rechner bisher ihre Ergebnisse. Die potentiellen Einsatzmöglichkeiten der Methode waren deshalb noch stark einschränkt. Kürzlich entwickelten Forscher nun eine Methode, mit der die Biomoleküle differenzierte Ausgaben produzieren können. Beispielhaft lösten sie Multiplikationsaufgaben mit Ergebnissen von eins bis 15.

Multiplikation – Logik oder Kombination?

Die Wissenschaftler „programmierten“ ein Set aus DNA-Strängen so, dass diese die Zahlen eins bis fünf repräsentierten. Der zahlenspezifische Abschnitt wurde um einen universellen Code ergänzt, damit alle Zahlen-Stränge sich miteinander verbinden können. Zusätzlich wurden alle möglichen Lösungen von eins bis 15 „programmiert“: Sequenzen, die das Produkt enthielten und die dazu gehörigen Multiplikatoren.

Der Lösungsweg bestand darin, dass für eine Rechnung zwei Eingabe-Stränge zusammen mit allen möglichen Ergebnis-Strängen in eine Lösung gebracht und inkubiert wurden. Für die Rechnung „1 x 2“ fügten sich also die beiden Stränge „1“ und „2“ zusammen. Sie fanden die korrekte Lösung „2“ als die Sequenz aus den aufeinanderfolgenden jeweils komplementären Basenpaaren. 

Mit bloßem Auge die Lösung der DNA erkennen

Nun musste das Ergebnis nur noch visualisiert werden. Der stabile Komplex aus drei DNA-Strängen wurde dafür in einem zweiten Schritt mit einem Katalog von Translatoren inkubiert, die für jeweils ein Ergebnis das Gegenstück waren. Der DNA-Komplex und der korrekte Translator fanden sich und übersetzten schließlich das Ergebnis in ein visuelles Signal: In einem makroskopischen Display, in dem eine Ziffer - wie in einer digitalen Anzeige - aus sieben Untereinheiten zusammengesetzt ist, assemblierten die Translator-Resultat-Komplexe mit den Sequenzen der Untereinheiten, die schließlich die Lösung im Display anzeigten.

Die Kombinatorik ist heute nicht mehr alleiniger Gegenstand der Forschung an DNA-Computern: In Experimenten zeigte sich, dass DNA-basierte Systeme auch logische Operationen durchführen und Algorithmen in Zellen umsetzen können. Die Autoren zeigten hier aber einen neuen, weiterführenden Nutzen der Kombinatorik: Es ist möglich, einen DNA-Computer mit komplexeren Informationen als einem binären Code „rechnen“ zu lassen.

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