DNA-Computer

Als DNA-, RNA- oder allgemeiner auch Biocomputer werden Computer bezeichnet, die auf der Verwendung der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Ribonukleinsäure (RNA) als Speicher- und Verarbeitungsmedium beruhen. Sie stellen einen Bereich der Bioelektronik dar.

Die Entwicklung von Biocomputern befindet sich noch in der Anfangsphase. Die ersten theoretischen Anstöße, dass Datenverarbeitung auf der Basis biologischer Moleküle möglich sein muss, lieferte der Nobelpreisträger Richard Feynman, Begründer der Nanotechnologie, in einem Vortrag zum Ende der 1950er Jahre.

Die Organisation und Komplexität aller Lebewesen basiert auf einer Codierung mit vier verschiedenen Basen im DNA-Molekül. Dadurch stellt die DNA ein Medium dar, das für die Datenverarbeitung perfekt geeignet ist. Nach verschiedenen Berechnungen würde ein DNA-Computer mit einer Flüssigkeitsmenge von einem Liter und darin enthaltenen sechs Gramm DNA eine theoretische Speicherkapazität von 3072 Exabyte ergeben. Auch die theoretisch erreichbare Geschwindigkeit wegen der massiven Parallelität der Berechnungen wäre enorm. Pro Sekunde ergeben sich etwa Tausend Peta-Operationen, während die leistungsfähigsten Computer heute einige zehn Peta-Operationen pro Sekunde erreichen.

Zur Beschreibung von Anwendungsfeldern, bei deren Problemlösung Biocomputing herkömmlichem Computing überlegen sein könnte, wird analog zur Quantenüberlegenheit (quantum supremacy) auch der Begriff cellular supremacy („zelluläre Überlegenheit“) verwendet.^[1]

Erste Überlegungen für DNA-Speicher gab es bereits seit den 1960er-Jahren und erste Experimente seit der Jahrtausendwende.^[2]

Ursprünglich kam die Idee von Leonard Adleman von der University of Southern California, im Jahr 1994.^[3] Adleman bewies in einem Machbarkeitsnachweis, dass man DNA zum Programmieren verwenden kann. Dieser Machbarkeitsnachweis bestand darin, dass er mit Hilfe von DNA eine Etappe des Hamiltonpfadproblems löste. Seit Adlemans erstem Experiment gab es schon große Fortschritte und man konnte beweisen, dass diverse Turingmaschinen produzierbar sind.^[4][5]

Anfänglich lag das Interesse an dieser seinerzeit neuartigen Technologie bei der Lösung von „NP-schweren“ Problemen. Sehr bald fand man jedoch heraus, dass jene Probleme womöglich doch nicht so einfach mit Hilfe von DNA-Computern zu lösen wären und man schlug dementsprechend seither mehrere „Killerapplikationen“ vor, die seine Nützlichkeit bzw. seinen Anwendungsbereich und somit seine Daseinsberechtigung unter Beweis stellen sollten. Im Jahr 1997 schlug der Informatiker Mitsunori Ogihara in Zusammenarbeit mit dem Biologen Animesh Ray eine solche Applikation vor, die ein Beweis für die Anwendbarkeit für Boolesche Funktionen sein sollte, und beschrieben eine mögliche Implementierung.^[6][7]

Im Jahr 2002 haben Wissenschaftler des Weizmann-Institut für Wissenschaften in Rehovot, Israel, einen programmierbaren molekularen Computer gebaut, bestehend aus Enzymen und DNA-Molekülen anstatt Silizium-Chips.^[8] Am 28. April 2004 haben Ehud Shapiro, Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor und Rivka Adar vom Weizmann-Institut in der Fachzeitschrift Nature bekannt gegeben, dass sie einen DNA-Computer gekoppelt mit einem In- und Outputmodul gebaut haben, welcher in der Lage sein sollte, Krebsaktivitäten in einer Zelle aufzuspüren und bei Auftreten dieser ein Medikament abzugeben.^[9]

Im Jahr 2011 kam dem Bioinformatiker Nick Goldman die Idee, Datenmengen in der DNA zu speichern. Zwei Jahre später (Januar 2013) ist es Forschern gelungen, sämtliche Shakespeare-Sonetten und die Rede I Have a Dream von Martin Luther King auf die DNA zu speichern. Mittlerweile wurden auch andere Mediendateien wie PDF, Fotos, Audiodateien und Bitcoins gespeichert.^[2]

2012 gelang es Robert Grass und seinen Kollegen eine Kopie des Schweizer Bundesbrief zu speichern und abzurufen.

Im März 2013 haben Wissenschaftler einen biologischen Transistor, „Transcriptor“ genannt, gebaut.^[2]

Die Konzerte des Montreux Jazz Festivals sollen im Rahmen des Montreux Jazz Digital Projects auch in DNA-Speichern gesichert werden. Erste Stücke sind Tutu von Miles Davis und Smoke on the Water von Deep Purple. 2018 konnten die Festivalbesucher Ausschnitte aus den beiden Stücken hören.^[10]

Die University of Washington forscht zusammen mit Microsoft daran, DNA als Speichermedium zu verwenden. Daten sollen so über Jahrhunderte lesbar bleiben und die Fläche eines Rechenzentrums zur Datenspeicherung auf einen Würfel geschrumpft werden. Daten werden automatisch in künstlichen DNA-Strängen abgelegt und später wieder abgerufen. Die vier Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) werden in einen binären Code von einer Software codiert. Die chemische Fertigung der DNA-Stränge übernimmt eine Synthesemaschine. Beim Abrufen der Daten werden die Basensequenzen der DNA-Stränge in binären Code übersetzt. Allerdings ist die Lesegeschwindigkeit bisher sehr langsam und das Decodieren des Wortes „Hello“ dauert beispielsweise 21 Stunden.^{[11][12][13][14]}

Anfang Juli 2019 gelang es einem DNA-Startup die gesamte englischsprachige Wikipedia mit einer Größe von ca. 16 Gigabyte auf DNA-Strängen zu speichern.^[15]

Es gibt mehrere Methoden zum Bau eines DNA-computerartigen Geräts. Jede dieser Methoden hat seine ganz eigenen Vor- und Nachteile. Die meisten bauen die grundlegenden Logikgatter (UND, ODER, NICHT), welche man aus der digitalen Welt und der Booleschen Algebra kennt, auf DNA-Basis. Manche dieser Basen beinhalten DNAzyme, Desoxyoligonukleotide, Enzyme und Polymerase-Kettenreaktionen (PCR).

DNA-Computer wurden unter anderem mit Hilfe des „toehold exchange concepts“ gebaut. Im Zuge dieses Vorgangs wird ein DNA-Strang an ein Sticky End, auch Toehold genannt, an einem anderen DNA Molekül befestigt. Dadurch kann dann ein anderer Strang ebenso deplatziert werden. Dies erlaubt ihnen modulare Logikkomponenten zu entwickeln, wie zum Beispiel UND, ODER, Nicht-Gatter und Signalverstärker, die mit beliebig großen Computern verbunden werden können. Dieser DNA-Computer benötigt weder Enzyme noch irgendeine der chemischen Eigenschaften der DNA.^[16]

1994 präsentierte Leonard Adleman mit seinem TT-100 den ersten Prototyp eines DNA-Computers in Form eines Reagenzglases mit 100 Mikrolitern DNA-Lösung. Mit Hilfe dieses Gerätes konnte er durch freie Reaktion der DNA einfache mathematische Probleme lösen.

In einem anderen Experiment wurde eine einfache Variante des Problems des Handlungsreisenden mittels eines DNA-Computers gelöst. Zu diesem Zweck wurde für jede zu besuchende Stadt der Aufgabenstellung ein Typ DNA-Fragment erzeugt. Ein solches DNA-Fragment ist zur Bindung an andere solche DNA-Fragmente fähig. Diese DNA-Fragmente wurden tatsächlich hergestellt und im Reagenzglas zusammengemixt. Es entstanden binnen Sekunden aus den kleineren DNA-Fragmenten größere DNA-Fragmente, die verschiedene Reiserouten repräsentierten. Durch eine chemische Reaktion (die Tage dauerte) wurden die DNA-Fragmente, die längere Reiserouten repräsentierten, eliminiert. Übrig blieb die Lösung dieses Problems, die jedoch mit heutigen Mitteln nicht ausgewertet werden kann. Dieses Experiment ist also nicht wirklich anwendungstauglich, jedoch ein Machbarkeitsnachweis.

Forscher wollen in einem weiteren Versuch DNA mit Spuren von Gold leitfähig machen, um diese als Schaltkreis nutzen zu können. Bei der Verwendung als Speichermedium soll die Folge von 0 und 1 jeweils durch zwei der vier Basen Guanin, Adenin, Cytosin und Thymin dargestellt werden.

Aufgrund der besonderen Widerstandsfähigkeit von Deinococcus-radiodurans-Bakterien gegen schädigende Einwirkungen aller Art könnten sie als DNA-Speicher genutzt werden. US-amerikanische Informatiker übersetzten den Text des englischen Kinderliedes It’s a Small World in den genetischen Code und schleusten die entsprechende DNA-Sequenz in das Erbgut der Bakterien ein. Noch nach etwa hundert Bakteriengenerationen ließen sich die Strophen in unveränderter Form mit üblicher Sequenziertechnik wieder auslesen, d. h., die eingebrachte Information wurde stabil abgespeichert und zusätzlich wurde durch die Vermehrung der Bakterien ihre Redundanz erhöht.^[2]

Es wird vorausgesagt, dass DNA-Computer vor allem dort neue Lösungen liefern können sollen, wo sie sich von traditionellen Computern unterscheiden: In der Speicherkapazität und in der Parallelisierung.

Die Realisierung des DNA-Computers scheitert aktuell vor allem an technischen Problemen. Das Ziel der derzeitigen Forschung ist es, ein Hybridsystem zu schaffen, bei dem der DNA-Technologie elektronische Baugruppen vorgeschaltet werden.

2009 ging IBM eine Partnerschaft mit der CalTech ein, deren Ziel es ist, DNA-Chips zu erschaffen.^[17] Eine Arbeitsgruppe der CalTech arbeitet bereits an der Fabrikation der Schaltkreise, die mit Nukleinsäuren betrieben werden. Einer dieser Chips kann ganze Quadratwurzeln berechnen.^[18] Des Weiteren wurde schon ein Compiler^[19] in Perl geschrieben.

Die Tatsache, dass der DNA-Computer nur sehr langsam Antworten produziert (die Reaktionszeit der DNA wird in Sekunden, Stunden oder sogar Tagen gemessen, anstatt wie sonst üblich in Millisekunden) und daher eine lange Lese- und Schreibgeschwindigkeit haben, wird dadurch kompensiert, dass viele Rechnungen parallel laufen und somit die Komplexität der gestellten Aufgabe nur geringe Auswirkungen auf die Rechendauer hat. Dies erklärt sich dadurch, dass mehrere Millionen oder Milliarden Moleküle gleichzeitig miteinander interagieren. Allerdings ist es bisher weitaus schwieriger die Ergebnisse eines DNA-Computers zu verwerten als die eines Digitalen.

Des Weiteren sind DNA-Computer wenig praxistauglich, da die Speichereinheiten oft sehr klein sind und sich nur kompliziert bearbeiten lassen. Daten können auch schneller durch UV-Strahlung beschädigt werden als bei herkömmlichen Speichern.^[20] Als Vorteile werden hingegen eine allgemeine längere Lebenszeit, höhere Speicherkapazität bei weniger Speichergröße („das gesamte Internet auf die Größe eines Schuhkartons passen“^[21]), weniger Stromverbrauch und erhöhte Datensicherheit und Schutz vor Hackerangriffen genannt.^[22][23] Auch die hohen Kosten stellen ein Problem dar, so kostet die DNA-Synthese für zwei Megabyte ca. 7.000 US-Dollar und das Auslesen weitere 2.000 oder 40 Cent pro Byte. Bis zu 215 Petabyte sollen auf ein Gramm Erbgut passen.^{[13][24][25][26]}

• Quantencomputer, der ähnliche Rechenleistung verspricht
• Peptid-Computer
• DNA-Sequenzierung
• Molekularelektronik
• Parallelrechner
• Bioinformatik
• Kohlenstoffnanoröhren

• Thomas Buchholz, Martin Kutrib: Molekulare Computer. Rechnen im Reagenzglas. In: Spiegel der Forschung 15 (1998), Heft 1, S. 27–36 (Volltext)
• Robert Ludlum: Die Paris Option, ISBN 3-453-43015-8 (belletristische Darstellung)
• Ralf Zimmer: Ein universeller DNA-Computer. In: Der GMD-Spiegel ISSN 0724-4339, Heft 3/4, Oktober 1999, S. 24–28
• Leonard M. Adleman: Rechnen mit DNA. In: Spektrum der Wissenschaft Dossier – Rechnerarchitekturen, 4/2000, S. 50–57. (Adleman ist das A in RSA).
• Zoya Ignatova, Israel Martinez-Perez, Karl-Heinz Zimmermann: DNA Computing Models. ISBN 978-0-387-73635-8, Springer, XIV, 288 p., 20 Illus., 2008.

• Berechnendes Erbgut – Artikel bei wissenschaft.de, vom 24. März 2005
• Experte: Medizin ist „natürliche Anwendung“ für DNA-Computer – Artikel bei heise online, vom 26. April 2007
• Logische Gatter aus Ribonukleinsäure – Artikel bei heise online, vom 18. Oktober 2008
• How DNA Computers Will Work (englisch) – Artikel bei HowStuffWorks
• Bakterien helfen beim Problem des Handlungsreisenden, 27. Juli 2009
• DNA-Computer löst antike Logik (Syllogismus des Aristoteles)
• Wissenschaftler speichern Shakespeare und Musikdateien auf DNA
• Computing exponentially faster: Implementing a nondeterministic universal Turing machine using DNA

1. ↑ Lewis Grozinger, Martyn Amos, Thomas E. Gorochowski, Pablo Carbonell, Diego A. Oyarzún, Ruud Stoof, Harold Fellermann, Paolo Zuliani, Huseyin Tas, Angel Goñi-Moreno: Pathways to cellular supremacy in biocomputing. In: Nature Communications. Band 10, Nr. 1, 20. November 2019, ISSN 2041-1723, doi:10.1038/s41467-019-13232-z, PMID 31748511, PMC 6868219 (freier Volltext) – (nature.com [abgerufen am 22. April 2024]). 
2. ↑ ^{a b c d} Strahlenresistente Bakterien als dauerhafte Datenspeicher – netzeitun… 11. Februar 2013, archiviert vom Original am 11. Februar 2013; abgerufen am 12. Juni 2019. 
3. ↑ Leonard M. Adleman (1994): Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science 266: 1021–1024. doi:10.1126/science.7973651
4. ↑ Dan Boneh, Christopher Dunworth, Richard J. Lipton, Jir̆í Sgal (1996): On the computational power of DNA. Discrete Applied Mathematics Volume 71, Issues 1–3: 79–94. doi:10.1016/S0166-218X(96)00058-3
5. ↑ Lila Kari, Greg Gloor, Sheng Yu: Using DNA to solve the Bounded Post Correspondence Problem. In: Theoretical Computer Science. 231. Jahrgang, Nr. 2, Januar 2000, S. 192–203, doi:10.1016/s0304-3975(99)00100-0 (englisch, psu.edu).  — Describes a solution for the bounded Post correspondence problem, a hard-on-average NP-complete problem. Also available here: http://www.csd.uwo.ca/~lila/pdfs/Using%20DNA%20to%20solve%20the%20Bounded%20Post%20Correspondence%20Problem.pdf
6. ↑ M. Ogihara and A. Ray (1999): Simulating Boolean circuits on a DNA computer. Algorithmica 25: 239–250. PDF download
7. ↑ „In Just a Few Drops, A Breakthrough in Computing“, New York Times, May 21, 1997
8. ↑ Stefan Lovgren: Computer Made from DNA and Enzymes. In: National Geographic. 24. Februar 2003, abgerufen am 26. November 2009 (englisch). 
9. ↑ Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, Rivka Adar, Ehud Shapiro (2004): An autonomous molecular computer for logical control of gene expression. Nature 429: 423-429 doi:10.1038/nature02551
10. ↑ Montreux Jazz Memories. Büro dlb, 4. Juli 2018, abgerufen am 29. November 2022 (französisch). 
11. ↑ Jochen Siegle: DNA: Microsoft automatisiert die Datenspeicherung in Biomolekülen. 29. März 2019, ISSN 0376-6829 (nzz.ch [abgerufen am 12. Juni 2019]). 
12. ↑ Microsoft and University of Washington researchers set record for DNA storage. 7. Juli 2016, abgerufen am 12. Juni 2019 (amerikanisches Englisch). 
13. ↑ ^{a b} DNA-Datenspeicher: Auf Petabyte pro Gramm. Abgerufen am 12. Juni 2019. 
14. ↑ futurezone/PR: Speicher der Zukunft: Microsofts künstliche DNA sagt „Hallo“. Abgerufen am 12. Juni 2019. 
15. ↑ René Resch: Komplettes Wikipedia auf DNA-Strängen gespeichert. 1. Juli 2019, abgerufen am 3. Juli 2019 (deutsch). 
16. ↑ Georg Seelig, David Soloveichik, David Yu Zhang, Erik Winfree (2006): Enzyme-Free Nucleic Acid Logic Circuits. Science 314: 1585–1588. doi:10.1126/science.1132493
17. ↑ Archivlink (Memento vom 14. Oktober 2011 im Internet Archive)(journal du CalTech)
18. ↑ http://www.sciencemag.org/content/332/6034/1196.abstract
19. ↑ http://www.dna.caltech.edu/SeesawCompiler
20. ↑ Bioinformatiker: „DNA-Speicher kann man nicht hacken“ – derStandard.de. Abgerufen am 17. Juli 2019 (österreichisches Deutsch). 
21. ↑ Speichertechnik: Microsoft stellt automatischen DNA-Speicher vor – Golem.de. Abgerufen am 12. Juni 2019 (deutsch). 
22. ↑ DNA als Datenspeicher. 13. Juli 2017, abgerufen am 17. Juli 2019. 
23. ↑ ZDB-Katalog – Suchergebnisseite: iss="0174-4909". Abgerufen am 17. Juli 2019. 
24. ↑ Annett Stein: DNA: Forscher erschaffen Speicher mit extrem hoher Datendichte. 6. März 2017 (welt.de [abgerufen am 12. Juni 2019]). 
25. ↑ Jan Oliver Löfken: Datenspeicher: Festplatten aus DNA speichern mehr als jeder Chip. In: Die Zeit. 3. März 2017, ISSN 0044-2070 (zeit.de [abgerufen am 12. Juni 2019]). 
26. ↑ Speichertechnik: Microsoft speichert Daten in künstlicher DNA. Abgerufen am 12. Juni 2019.