Molekül-Computer rechnet mit DNA-Strängen

Über biochemische Reaktionen können Erbgut-Schaltkreise logische Aufgaben lösen

Pasadena (USA) - Aus 130 Erbgut-Strängen bauten US-amerikanische Wissenschaftler einen rudimentären DNA-Computer. Diese Moleküle konnten über biochemische Reaktionen logische Rechenoperationen wie "UND" und "ODER" durchführen. Das gesamte DNA-Ensemble war sogar zu einfachen mathematischen Berechnungen mit kleinen Zahlen fähig. Mit ihrem Erbgut-Rechner wollen die Forscher zwar nicht die klassischen Computerchips aus Silizium ersetzen. Aber eingelagert in lebenden Zellen oder Gewebe könnten DNA-Computer biochemische Analysen oder gar die Diagnose von Krankheiten erleichtern. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der Zeitschrift "Science".

"DNA ist ein exzellentes Material für biochemische Schaltkreise", schreiben Lulu Qian und Erik Winfree vom California Institute of Technology in Pasadena. Denn die vier Grundbausteine der langkettigen Biomoleküle können sich völlig selbstständig organisieren. Dabei bindet die Base Adenin (A) immer an Thymin (T) und die Base Guanin (G) an Cytosin (C). Dieser Prozess ist eine wesentliche Grundlage für das Wachstum lebender Organismen, bei dem das Erbgut einer Zelle auf eine neue Zelle übertragen wird. Genau diese Fähigkeit der Moleküle, sich eindeutig anzuordnen, nutzten die kalifornischen Forscher für den Aufbau ihrer logischen DNA-Schaltkreise.

Qian und Winfree ordneten für ihre Erbgut-Rechner einzelne kurze DNA-Sequenzen wie winzige molekulare Wippschaukeln an. Je zwei dieser Molekül-Schaukeln können sich nun über die DNA-Basen miteinander verknüpfen und abhängig von der Wahl der Basen in die eine oder andere Richtung kippen. "So kann ein Paar von Wippschaukeln logische 'UND' und 'ODER'-Operationen durchführen", erklären die Forscher. Über die kaskadenartige Anordnung von bis zu 130 solcher Molekül-Schaukeln gelang es ihnen, aus bis zu vierstelligen digitalen Zahlen die Wurzel zu ziehen. Für diese Berechnungen ließen sie erst ausgewählte Basen an wenige "Input-Wippschaukeln" andocken. Das führte zu einer selbst organisierten Kettenreaktion innerhalb der gesamten Molekül-Kaskade. Das Ergebnis der Berechnung lag danach an vier "Output-Wippschaukeln" vor, die ihre Ausrichtung und damit das Ergebnis über leuchtende Fluoreszenzsignale anzeigten.

Im Unterschied zu zahlreichen früheren Ansätzen für DNA-Computer lassen sich diese in Kaskaden angeordneten Erbgut-Stränge zu immer komplexeren Strukturen erweitern. Diese sogenannte Skalierbarkeit ist eine wesentliche Voraussetzung für weitere Grundlagenexperimente. Ein Problem bleibt jedoch die Geschwindigkeit solcher Berechnungen. Denn dieser Prototyp brauchte bis zu zehn Stunden, um ein Ergebnis zu liefern. Mit kleineren DNA-Strängen hoffen die Forscher, diese Hürde in Zukunft senken zu können.

Von einer praktischen Anwendung sind DNA-Computer bislang noch weit entfernt. Eine Alternative zur ausgereiften Silizium-Elektronik bieten sie nicht. Sollte es jedoch gelingen, DNA-Schaltkreise in lebende Zellen oder Gewebeproben zu integrieren, bieten sie völlig neue Möglichkeiten für die Analyse biochemischer Prozesse oder zur Diagnose von Krankheiten.