- Irische Forscher haben den schnellsten und komplexesten DNA-Computer entwickelt.
- Das System führt mathematische Berechnungen ohne kontinuierliche Stromversorgung durch und basiert auf einer DNA-basierten Speicher- und Rechenarchitektur.
- Die Studie zeigt, dass DNA-Computer bei der Lösung komplexer Berechnungen hervorragend abschneiden und wiederverwendbar sind.
- DNA-Computer könnten in Zukunft eine wichtige Rolle bei digitaler Speicherung und Krankheitserkennung spielen.
Irische Forscher berichten, sie hätten einen der schnellsten und komplexesten „DNA-Computer" geschaffen, die es bisher gibt. Das von der Maynooth University entwickelte System zeigt in einem Meilenstein, dass mikroskopisch kleiner genetischer Code mathematische Operationen ausführen kann, die bislang elektronischen Mikrochips vorbehalten waren. Das System besteht aus DNA-Strängen, die in kleinen Salzwassertröpfchen miteinander wechselwirken, nutzt lange DNA-Gerüste und Wärme zur Auslösung der Berechnungen – ohne kontinuierliche Stromzufuhr. Dieser „bahnbrechende" molekulare Computer kann einfache Multiplikationen, Divisionen und Additionen ausführen.
Rechenoperationen ohne Strom – DNA-basierte Speicher- und Recheninfrastrukturen gelten als Zukunft des Biocomputing. Diese Architekturen schreiben Bits nicht auf magnetische Oberflächen oder leiten Logik durch Siliziumtransistoren, sondern übersetzen digitale Informationen in spezifische Anordnungen der vier zentralen genetischen Basen: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Verschiedene Institutionen und Organisationen arbeiten seit Langem an DNA-basierten Systemen. So entwickelte etwa ein Team des Caltech ein DNA-basiertes künstliches neuronales Netz, das durch molekulare Wechselwirkungen in Lösung handschriftliche Ziffern (0–9) erkennen kann – ohne Mikroprozessor.
Funktionsweise des DNA-Computers
Angesichts des rasant steigenden Energiebedarfs moderner Elektronikprodukte gewinnen Forschung und Entwicklung in diesem Bereich derzeit an Dynamik. Allein in Irland verbrauchen herkömmliche Rechenzentren 23 % der landesweiten Stromversorgung.
Professor Damien Woods vom Hamilton Institute der Maynooth University sagte: „Wir kennen bislang nur eine Art von Computer, doch es gibt noch andere Beispiele – etwa unser Gehirn." Um die Grenzen von Siliziumchips zu überwinden, ersetzten die Forscher die Platine durch biologische Bausteine. Das Verfahren ist vergleichsweise einfach und technisch wenig aufwendig. Die Wissenschaftler mischen kurze DNA-Fragmente mit längeren DNA-Gerüsten in kleinen Salzwassertröpfchen. Kurze Wärmeimpulse stoßen die biologischen Wechselwirkungen an. Während die Flüssigkeit langsam abkühlt, lagern sich Millionen mikroskopischer Stränge zusammen, reagieren und fügen sich selbstständig zu komplexen molekularen Mustern zusammen, die das Ergebnis anzeigen.
Ohne eine einzige elektrische Leitung oder eine dauerhafte Stromquelle ist die am Ende selbstorganisiert entstandene Molekularstruktur das Resultat der Berechnung.
Potenzielle Anwendungen des DNA-Computers
Dr. Abhilash Ahirwar, Assistenzprofessor und Informatiker am Hamilton Institute der Maynooth University, erklärte: „Ein einzelner kleiner Tropfen enthält Milliarden, manchmal sogar Billionen von DNA-Strängen. Diese Stränge wechselwirken miteinander und liefern ein Ergebnis." Die Leistungsfähigkeit des Tropfens ist beeindruckend. In Testläufen führte das Team zehn verschiedene Programme aus. Das molekulare System löste grundlegende Rechenaufgaben wie 10 + 3 in 30 Sekunden; komplexere Berechnungen, darunter 100-Bit-Additionen mit Werten bis zu 34 Millionen, benötigten rund 14 Stunden. Bemerkenswert ist, dass der Aufbau nicht für den einmaligen Gebrauch bestimmt ist: Das Team führte im selben Tropfen bis zu 25 aufeinanderfolgende Berechnungen durch – ohne jeglichen Leistungsverlust.
Woods ergänzte: „Eine zentrale Innovation besteht darin, dass das System die Antwort von selbst findet – ohne kontinuierliche Energiezufuhr." Flüssigkeitsbasierte Verfahren werden zwar nicht die heutigen Hochgeschwindigkeits-Smartphones ersetzen, doch Geschwindigkeit ist nicht das eigentliche Ziel. Dr. Ahirwar sagte: „Die Reaktion im Reagenzglas erfolgt schnell, aber nicht so schnell wie auf einem Siliziumchip – und das ist auch nicht der Anspruch. Im Vergleich mit anderen DNA-Computern sind wir allerdings tatsächlich die schnellsten." Das Team erhielt vom European Innovation Council eine Förderung in Höhe von 4 Millionen Euro für das Projekt DISCO, das Anwendungen entwickeln soll, die elektronische Chips nicht bewältigen können.
DNA bietet eine unerreichte Speicherdichte sowie Biokompatibilität. Künftige Versionen könnten dichte digitale Archive über Jahrtausende sichern oder im menschlichen Blut zirkulieren, um Zelle für Zelle Krankheiten zu erkennen.
Potenzial und Herausforderungen des DNA-Computers
Die Entwicklung von DNA-Computern markiert einen wichtigen Meilenstein im Biocomputing – insbesondere vor dem Hintergrund steigender Energieaufnahme heutiger Elektronik ist die Möglichkeit, ohne kontinuierliche Stromversorgung zu rechnen, von besonderer Bedeutung. Die Technologie kann nicht nur grundlegende mathematische Probleme lösen, sondern behält ihre Leistungsfähigkeit auch über zahlreiche Berechnungen hinweg, was ihr Potenzial für hochdichte Datenspeicherung und langfristige Stabilität unterstreicht. Zwar kann sie hinsichtlich der Geschwindigkeit derzeit nicht mit klassischen Chips mithalten, doch liegen die besonderen Stärken des DNA-Computers in seiner Biokompatibilität und der Breite künftiger Einsatzmöglichkeiten – insbesondere in Medizin und Datenspeicherung.