Erbgutschnipsel lernen rechnen

14. September 2003, 20:26
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Neun Reagenzgläser mit DNA-Strängen spielen Tic-Tac-Toe - mit diesem Experiment zeigen US-Forscher die Power der neuen Biocomputer

Maya ist ein Computer ohne Festplatte, Maus und Bildschirm: Sie rechnet mit DNA-Sequenzen und Enzymen. Diese schwimmen in neun Reagenzgläschen, die wie die Felder des Strategiespieles Tic-Tac-Toe angeordnet sind. Der menschliche Gegner "zieht", indem er den Gläschen je nach gewähltem Feld einen Erbgutschnipsel zufügt. Und wenn der DNA-Computer den Spielzug errechnet hat, leuchtet das betreffende Röhrchen auf. Wer als erster drei "Felder" in einer Reihe belegt, gewinnt. Bisher ist Maya ungeschlagen, berichten die US-Forscher Milan Stojanovic und Darko Stefanovic in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology.

Kein Wunder, im Gegensatz zu Schach ist Tic-Tac-Toe voll determiniert, ein Computer kann hier nicht verlieren. Aufsehen erregend ist aber, dass ein solch komplexer Algorithmus in molekulare Prozesse übersetzt werden konnte. Denn Biocomputer rechnen chemisch: In den Doppelhelix-Strängen der DNAs wird Information nicht über 0 und 1, sondern über die Basen A, T, G und C gespeichert. DNA-Sequenzen werden dann über Enzyme gezielt zerschnipselt, kopiert, zusammengehängt und vermehrt - wobei die Reaktionen blitzschnell und parallel ablaufen: In einem Teelöffel Erbsubstanz können 330 Billionen Rechenschritte pro Sekunde ausgeführt werden. Das Ergebnis wird über DNA-Sequenzen oder über chemische Reaktionen angezeigt.

"Wetware" punktet

Der erste Biocomputer - 1994 vom US-Informatiker Leonard Adleman gebaut - löste so das Handelsreisenden-Problem: Ein Reisender soll schnellstmöglich sieben Städte besuchen - ohne Überschneidungen, mit 14 Einbahnstraßen und weiteren Einschränkungen. Damit hätte auch ein herkömmlicher Computer kein Problem - doch wenn die Anzahl der Städte auf 20 steigt, müsste ein Computer 100.000 Jahre rechnen. Hier punktet die "Wetware", denn sie rechnet parallel: Milliarden von DNA-Strängen, die sich in kleinen Reagenzgläsern zufällig verbinden, stoßen mit hoher Wahrscheinlichkeit auf die Lösung, die dann über chemische Reaktionen aus den falschen herausgefiltert wird.

Eingriffe von außen sind beim jetzigen Tic-Tac-Toe-Rechner nicht mehr nötig, alle Reaktionen laufen automatisch ab. Wie auch beim tropfengroßen DNA-Rechner von Ehud Shapiro am Weizmann-Institut in Israel, der heuer als kleinster Biocomputer ins Guinness-Buch der Rekorde eingetragen wurde. DNA-Moleküle dienen hier als Input, Programm und zum Ablesen des Ergebnisses - die (allerdings recht einfachen) Rechenschritte erledigte das Enzym Fok-I, das durch die beim Auftrennen der DNA-Moleküle entstehende Wärme auch für die nötige Energie sorgt.

Miniärzte der Zukunft

Energiesparend, winzig und fähig, komplexeste Rechenaufgaben zu lösen - statt Tic-Tac-Toe könnten Biocomputer in Zukunft Ärzte spielen. Man denkt an Minirechner, die chemische oder biologische Systeme kontrollieren - "an molekulare Apparate, die sich an Zellen andocken und Krankheiten erkennen können", erklärt Rudolf Freund von der TU Wien. Er beschäftigt sich seit Jahren mit Biocomputern, allerdings "in Form von Dry-Computing, also am Papier", so Freund - für Laborstudien fehle in Österreich das Geld. Anders als in Japan und den USA - für das Tic-Tac-Toe-Spiel zahlte die Nasa 15 Millionen Dollar.

Auf dem Papier wurde der universale Rechner auf DNA-Basis schon entwickelt, doch es hapert an der praktischen Umsetzung. Zu viele unvorhergesehene chemische Reaktionen können auftreten - im kommenden Jahrzehnt werden die wässrigen den normalen Computern keine Konkurrenz machen. Für Peter Schuster vom Institut für Theoretische Chemie an der Uni Wien gehören DNA-Rechner eher zu den "Kuriosa", man könne noch nicht sagen, ob sie sich etablieren würden. Doch, so Schuster: "Als Werner Arber die schneidenden Enzyme entdeckte, nannte man sie ,kuriose Enzyme'", heute bilden sie einen Grundstein der Biotechnologie.

Versteckt im Erbgut

Inzwischen wird mit Erbgutschnipseln als Speichermaterial experimentiert: Pak Chung Wong vom US-Labor Pacific Northwest speicherte den Text des Liedes "It's a Small World" in A-T-G-C-Sprache ab, diese Sequenzen wurden dann in die DNA des Bakteriums "Deinococcus radiodurans" eingebaut. Ein Milliliter Bakterienkultur kann bis zu einer Milliarde Zellen enthalten - die Kapazität des Biospeichers ist enorm. Und wenn sie nicht mutiert, dann überlebt die kleine Welt so auch Umweltkatastrophen. (Heidi Weinhäupl/DER STANDARD, Printausgabe, 9.9.2003)

Neun Reagenzgläser mit DNA-Strängen spielen Tic-Tac-Toe - mit diesem Experiment zeigen US-Forscher die Power der neuen Biocomputer. Bis aus dem Spiel Ernst wird, dürfte es noch Jahrzehnte dauern. Dann aber könnten komplexeste Aufgaben gelöst werden, denn die wässrigen Computer auf DNA-Basis rechnen milliardenfach parallel und daher blitzschnell
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