Drei Forscher am Hamilton Institute in Irland haben einen molekularen Computer entwickelt, der auf interagierenden DNA-Strängen in Wasser basiert und Multiplikation, Division und Addition durchführen kann.
Das Team, bestehend aus Professor Damien Woods, Juniorprofessorin Dr. Abeer Eshra und Dr. Tristan Stérin, hat seine Ergebnisse in einer Veröffentlichung in einer Nature-Fachzeitschrift veröffentlicht. Sie erklären, dass diese Forschung neue Wege für die langfristige Datenspeicherung, energieeffizientes Rechnen und schließlich für molekulare Systeme, die in Zellen arbeiten, für Anwendungsfälle wie die Krankheitserkennung eröffnet.
Maynooth DNA-Forscher
Das Konzept erscheint im Überblick überraschend einfach, in der Umsetzung jedoch hochkomplex. Die Forscher platzierten einen Tropfen Salzwasser zusammen mit kurzen DNA-Fragmenten und einem längeren DNA-Gerüst in einem Reagenzglas. Erhitzen und anschließendes Abkühlen der Mischung veranlasst die DNA zur Durchführung von Berechnungen. Woods kommentierte: „Die Moleküle interagieren, bilden eine Struktur, und diese Struktur ist die Antwort. Eine Schlüsselinnovation ist, dass das System diese Antwort auf natürliche Weise ohne kontinuierliche Energiezufuhr findet.“
Der sogenannte Scaffolded DNA Computer (SDC) verwendet lange Gerüst-DNA-Stränge als Rückgrat. Hunderte von kürzeren Strängen binden an vordefinierten Bindungsstellen, um Bits zu kodieren. Diese Bindungen können verändert werden, um Daten als Eingabe für molekulare Programme zu bearbeiten. DNA-Interaktionen verhalten sich vorhersagbar, ähnlich wie Legosteine oder DNA-Origami, und dieselbe nasse Hardware kann unterschiedliche molekulare Programme ausführen.
Das Abkühlen treibt das System in einen thermodynamisch stabilen Gleichgewichtszustand, der die Ausgaben des Algorithmus kodiert. Die Berechnung erfolgt automatisch, wenn das System das Gleichgewicht erreicht. Die Forscher stellen fest, dass dies separate Fehlerkorrektursysteme überflüssig macht, da das System auf natürliche Weise in den Zielausgangszustand übergeht.
Das Team führte zehn Programme aus, darunter:
---Multiplikation mit 3,
---Division durch 2,
---8-Bit-Paritätsprüfung,
---Addition von 25-Bit-Zahlen — eine 100-Bit-Berechnung.
Nach Siliziumstandards ist die Berechnung immer noch langsam, obwohl sie neue Geschwindigkeitsrekorde im Bereich der DNA-Berechnung aufstellt. Ein Experiment zur Addition von Zahlen im Bereich von etwa 11 Millionen bis 34 Millionen dauerte bis zu 14 Stunden, um Ergebnisse zu liefern, während die Berechnung von 10 plus 3 in 30 Sekunden abgeschlossen war. Die Forscher berichten, dass der SDC nicht-triviale Berechnungen in nur 30 Sekunden bis einer Minute durchführen kann, was den Geschwindigkeitsgrenzen ihrer Laborgeräte entspricht und die schnellsten derartigen Programme darstellt, die in der DNA-Computing-Literatur dokumentiert sind.
Dr. Eshra sagte: „Die Reaktion geschieht schnell im Reagenzglas, aber nicht so schnell wie bei Silizium, und das ist auch nicht beabsichtigt. Aber im Vergleich zu anderen DNA-Computern ist unserer der schnellste.“
Das Gerät wird auch als robust und wiederverwendbar beschrieben und kann bis zu 25 aufeinanderfolgende, unterschiedliche Berechnungen durchführen.
Die Komplexität dieser Arbeit ist in den Diagrammen in ihrer Nature-Veröffentlichung zu sehen;
Die Ansicht des vollständigen Diagramms hilft, den Umfang zu veranschaulichen.
Die Forscher schreiben in ihrer Nature-Veröffentlichung: „Thermodynamische Rechenprinzipien könnten eine robuste DNA-Datenspeicherung ermöglichen.“ Obwohl theoretisch machbar, machen die langsame Datenzugriff und die Systemkomplexität die weit verbreitete DNA-Speicherung unpraktisch. Behauptungen, dass die Siliziumrechnung, selbst mit konstantem Stromverbrauch, durch diese öffentlich finanzierte Forschung bedroht ist, sind eindeutig übertrieben. Dennoch könnte das molekulare DNA-Computing für die Reprogrammierung menschlicher Zellen wertvoll sein, eine aufregende Aussicht.
Professor Woods bemerkte: „Das ist Grundlagenforschung. Wir wissen nicht, wohin uns die Zukunft führen wird.“
Tristan Stérin gab einen detaillierten Bericht über die Forschung und ihre Ursprünge.
Fußnoten
Diese DNA-Computerforschung wird im Rahmen des DISCO-Projekts, DNA-based Infrastructure for Storage and Computation, mit EU-Mitteln gefördert. Die Initiative erforscht DNA-Technologien für neuartige Rechen- und Datenspeichermethoden. Das Projekt, das über die European Innovation Council Pathfinder Challenge on DNA-based digital data storage finanziert wird, hat ein Budget von rund 4 Millionen Euro (4,6 Millionen US-Dollar). Koordiniert von Professor Woods und der TAPDANCE-Gruppe an der Maynooth University, gehören zu den Partnern Tilibit aus München, das auf DNA-Origami spezialisiert ist, und PRGM.dev / Major Groove aus Paris.
TAPDANCE ist die Forschungsgruppe Theory And Practice of DNA Computing Engines an der Maynooth University im Hamilton Institute und im Department of Computer Science unter der Leitung von Professor Woods.
Die Maynooth University ist eine zur National University of Ireland gehörende Hochschule in Maynooth, County Kildare, Irland, etwa 25 Kilometer westlich von Dublin.
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