DNA-Computing

Leonard Adleman sendet sein Bedauern. In einer E-Mail-FAQ, mit der er Journalisten abwehrt, die Interviews suchen, bekennt der Informatiker und weltberühmte Kryptograf der University of Southern California, der das Gebiet des DNA-Computing erfunden hat, dass DNA-Computer wahrscheinlich keine eigenständigen Konkurrenten für elektronische Computer werden werden. Etwas entschuldigend fährt er fort: Momentan können wir Moleküle einfach nicht so geschickt kontrollieren, wie Elektroingenieure und Physiker Elektronen kontrollieren.

1994 verwendete Adleman zum ersten Mal die DNA, das Molekül, aus dem unsere Gene bestehen, um eine einfache Version des Handelsreisenden-Problems zu lösen. In diesem klassischen Rätsel besteht die Aufgabe darin, den effizientesten Weg durch mehrere Städte zu finden – bei genügend Städten kann das Problem sogar einen Supercomputer herausfordern. Adleman demonstrierte, dass die Milliarden von Molekülen in einem DNA-Tropfen rohe Rechenleistung enthielten, die Silizium möglicherweise überfordern könnte. Aber seitdem sind Wissenschaftler auf harte praktische und theoretische Hürden gestoßen. Wie Adleman und andere auf diesem Gebiet erkannt haben, wird es möglicherweise nie einen Computer aus DNA geben, der der heutigen siliziumbasierten Mikroelektronik direkt Konkurrenz macht.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 2000



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Das heißt aber nicht, dass sie aufgegeben haben. Weit davon entfernt. Obwohl Informatiker keinen klaren Weg vom Reagenzglas zum Desktop gefunden haben, verblüfft und inspiriert sie das Gefundene. Digitales Gedächtnis in Form von DNA und Proteinen. Exquisit effiziente Bearbeitungsmaschinen, die durch die Zelle navigieren, molekulare Daten ausschneiden und in den Stoff des Lebens einfügen. Außerdem packt die Natur all diese molekularen HiFi-Geräte in ein Bakterium, das nicht viel größer ist als ein einzelner Transistor. Aus der Sicht von Informatikern hat die Evolution die kleinsten und effizientesten Computer der Welt hervorgebracht – und das beige-Box-Set ist begeistert.

Aus heutiger Sicht von Adleman ist DNA-Computing ein Feld, bei dem es weniger darum geht, Silizium zu schlagen, als um überraschende neue Kombinationen von Biologie und Informatik, die in beiden Bereichen die Grenzen überschreiten – manchmal in unerwartete Richtungen. Wissenschaftler arbeiten immer noch hart daran, die beeindruckenden Fähigkeiten der DNA zur Zahlenverarbeitung für spezielle Anwendungen wie das Brechen von Code zu nutzen. Aber darüber hinaus könnte die in DNA-Moleküle eingebaute angeborene Intelligenz helfen, winzige, komplexe Strukturen herzustellen – im Wesentlichen mithilfe von Computerlogik, nicht um Zahlen zu berechnen, sondern um Dinge zu bauen.

Zu den vielversprechendsten dieser neuen Ansätze zählen intelligente DNA-Kacheln, die von Erik Winfree, einem 30-jährigen Informatiker am California Institute of Technology, erfunden wurden (siehe 100 Young Innovators, TR November/Dezember 1999). Das Brainstorming von Winfree besteht darin, nanoskopische Bausteine ​​aus DNA zu erstellen, die nicht nur Daten speichern können, sondern auch – wie Winfree gerne sagt – programmiert sind, um mathematische Operationen durchzuführen, indem sie auf bestimmte Weise zusammenpassen. Normalerweise existiert DNA als zwei ineinander verschlungene Stränge der chemischen Buchstaben A, G, C und T – die bekannte Doppelhelix. Aber die DNA-Kacheln von Winfree werden hergestellt, indem drei oder mehr dieser Stränge miteinander verknotet werden, wodurch an ihrer längsten Seite Kacheln von etwa 15 Nanometern (Milliardstel Meter) gebildet werden. Winfree nutzt die Fähigkeit der DNA, andere DNA-Stränge selektiv zu erkennen, und hat die Kanten dieser Kacheln so kodiert, dass sie genau richtig zusammenkommen, um winzige auftragsbezogene Strukturen zu bilden.

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Tatsächlich könnte die Programmierung der DNA auf diese Weise Chemikern die Art von geschickter Kontrolle geben, die es ihnen ermöglichen könnte, komplexere Strukturen aufzubauen als bisher gedacht, sagt Paul Rothemund, Doktorand in Adlemans USC-Labor.

DNA Dominosteine

Die Idee der intelligenten DNA-Kacheln entstand vor fünf Jahren im Red Door Café von Caltech, als sich Winfree und Rothemund trafen, um über Adlemans erstes DNA-Computing-Papier zu diskutieren. Die Veröffentlichung hat die Fantasie weltweit und in allen wissenschaftlichen Disziplinen beflügelt. Gab es andere Möglichkeiten, mit DNA zu rechnen? Könnte es Silizium schlagen? Rothemund brachte einen Stapel Papiere mit, die all die seltsamsten Dinge zeigten, die mit DNA gemacht wurden. Eine davon stammte von Nadrian Seeman, einem Chemiker an der New York University, der aus der DNA-Doppelhelix Würfel, Ringe, Oktaeder und andere ungewöhnliche Formen geschaffen hatte. Winfree, der an einer Doktorarbeit über künstliches Lernen in Robotern arbeitete, sah sofort einen Weg, wie Seemans seltsame Versionen der DNA zur Berechnung verwendet werden könnten.

Der intellektuelle Durchbruch von Winfree wurde von der Theorie der Wang-Kacheln inspiriert – ein bisschen rekondierte Mathematik in Bezug auf die Muster, die mit Quadraten mit nummerierten Seiten erstellt werden können. Wie bei Dominosteinen bestimmen die Zahlen auf jedem Wang-Plättchen, welche anderen Plättchen es berühren darf. Durch sorgfältige Festlegung dieser Abgleichsregeln können komplexe und interessante Muster entstehen, wenn mehr Kacheln hinzugefügt werden. Aber es ist mehr als nur ein mathematisches Dominospiel. Da Wang-Kacheln sowohl Daten (die Zahlen) als auch einfache Regeln für deren Kombination enthalten, bewiesen Mathematiker in den 1960er Jahren, dass die Kacheln zum Addieren oder Multiplizieren von Zahlen verwendet werden können. Tatsächlich zeigten sie, dass man mit dem richtigen Satz dieser hypothetischen Konstrukte theoretisch alles tun könnte, was ein elektronischer Computer kann – vom Schachspielen bis zum Zählen von Schafen. Die große Idee von Winfree war eine einfache Synthese: Verwenden Sie die DNA-Moleküle von Seeman als winzige echte Wang-Kacheln.

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Auf DNA-Computing angewendet, könnte die Strategie eines der grundlegenden Probleme umgehen, das das Feld von Anfang an beschäftigt hat – zu viel Laborarbeit. Während DNA-Computing gut darin ist, eine große Anzahl von Antworten schnell zu produzieren, verlangsamen sich die Dinge, wenn es darum geht, die richtigen Antworten aus der Mischung auszuwählen. Nehmen Sie das Problem des Handelsreisenden, das ursprünglich von Adleman gelöst wurde, bei dem es darum geht, die effizienteste Route durch sieben Städte zu finden, die durch 14 One-Way-Flüge verbunden sind. Adleman erstellte DNA-Stränge, um jeden Flug darzustellen, und kombinierte sie dann in einem Reagenzglas, um jede mögliche Route zu generieren.

Obwohl die DNA in einem Fünfzigstel eines Teelöffels 100 Billionen Antworten in weniger als einer Sekunde produzierte, waren die meisten dieser Antworten Wiederholungen – und die meisten von ihnen waren falsch. Adlemans nächste Aufgabe bestand also darin, die falschen Antworten zu verwerfen, was auf einem PC im Handumdrehen erledigt werden konnte, in Adlemans Fall jedoch mehrere Dutzend manuelle Laborverfahren erforderte. Und genau hier liegt das Problem bei den meisten DNA-Computing-Schemata – jede Operation an den Daten bedeutet einen weiteren zeitaufwändigen Laborschritt.

Die DNA-Kacheln könnten dieses Problem lösen. Im Gegensatz zu der von Adleman in seinen ursprünglichen Experimenten verwendeten DNA, die zufällig kombiniert wurde, folgen die Kacheln von Winfree einfachen Regeln, um das richtige Ergebnis zu erzielen. Im Idealfall legt man [die Kacheln] einfach in das Reagenzglas und whammo!, schon hat man die richtige Antwort, sagt John Reif, Informatiker an der Duke University.

In Zusammenarbeit mit Winfree und Thom LaBean, einem Biochemiker bei Duke, hofft Reif, die Idee in die Praxis umzusetzen, indem er einen einfachen molekularen Abakus aus DNA-Kacheln erstellt. Ziel ist es, Binärzahlen von null bis acht zu addieren. Mit genetischen Buchstaben für Nullen und Einsen hat das Team Sätze von Kacheln entworfen, von denen jede eine mögliche Spalte in einer Ergänzung darstellt. Regeln zum korrekten Kombinieren von Spalten sind in lose DNA-Stränge codiert, die aus den Seiten der Kacheln herausragen.

Wenn alles gut geht, wird das Experiment mehrere Billionen Multi-Kachel-Strukturen erzeugen, von denen jede eine geordnete Addition von drei binären Bits durchgeführt hat. Die Ergebnisse werden die Wissenschaftler dann mit Standardmethoden zur DNA-Entschlüsselung ablesen. Das Experiment unterstreicht die potenzielle Leistungsfähigkeit von DNA-Computern – massive Parallelität und Geschwindigkeit. Reif schätzt, dass ein einzelnes Reagenzglas mit DNA-Kacheln etwa 10 Billionen Additionen pro Sekunde durchführen könnte – etwa eine Million Mal schneller als ein elektronischer Computer.

Nanotechnologie C++

Hersteller von Perowskit-Solarzellen

Die enorme rohe Kraft des DNA-Computing hält das Feld trotz aller gewaltigen technischen Hindernisse in Bewegung. Doch selbst wenn sich diese Hindernisse letztendlich als unüberwindbar erweisen, könnte Winfrees Arbeit einen Durchbruch bei der Konstruktion ultrakleiner Geräte bedeuten. Tatsächlich findet Winfree selbst, dass die spannendste Anwendung von DNA-Kacheln darin besteht, intelligente Bausteine ​​zu sein, die sich Stück für Stück auf der Nanometerskala zusammensetzen und sich zu großen und komplexen Strukturen zusammenfügen.

In Zusammenarbeit mit Rothemund und Adleman am USC will Winfree eine zweidimensionale Form herstellen, die als Sierpinski-Dreieck bekannt ist. Benannt nach dem polnischen Mathematiker, der es 1915 entdeckte, ist das Dreieck ein komplexes und schönes Fraktal, das durch die Wiederholung einer einfachen geometrischen Regel erzeugt wird. Das Team plant, eine reale Version des Dreiecks in einem Reagenzglas mit nur sieben verschiedenen DNA-Kacheln zu konstruieren. Winfree hat jeden Kacheltyp so entwickelt, dass er ein einfaches Programm ausführt – um sich der wachsenden Form hinzuzufügen oder nicht, abhängig von den molekularen Hinweisen, die von der Außenkante des Dreiecks bereitgestellt werden.

In den Händen von Nanofabrikationsexperten wie Seeman von der NYU könnten die DNA-Kacheln zu einfacheren Methoden zur Herstellung exotischer molekularer Strukturen führen – für die Nanotechnologie tun, was CAD und vorgefertigte Baumaterialien für die Bauindustrie getan haben. Mehr Kontrolle führt zu Dingen, die man sich fast nicht vorstellen kann, sagt Seeman. Wir gehen davon aus, dass dieser Ansatz zur deutlich wirtschaftlicheren Herstellung von Designermaterialien und interessanten Mustern angewendet werden kann.

Seemans Labor beispielsweise versucht bereits, Nanopartikel aus Gold auf DNA-Kacheln zu befestigen, um Prototypen winziger elektrischer Schaltkreise zu erstellen. Diese DNA-Anordnungen wären etwa zehnmal kleiner als die kleinsten in Siliziumchips geätzten Merkmale. Rothemund stellt jedoch fest, dass die mit DNA-Kacheln berechenbaren Muster begrenzt sind. Wir können nicht machen, was wir wollen, sagt Rothemund. Aber die einfachen Baugruppen, die wir bisher gemacht haben, zeigen, wie gut die grundlegenden Operationen funktionieren.

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Sie zeigen auch, wie viel Wissenschaftler noch lernen müssen. Winfree vergleicht seine bisherigen Bemühungen mit einzeiligen Programmen, die in biochemischem Basic geschrieben sind. Am liebsten würde er biochemische Reaktionen in C++ programmieren. Er geht davon aus, dass sich diese fortschrittlichere Sprache weiterentwickeln wird, wenn die Forscher neue Operationen beherrschen, beispielsweise das selektive Entfernen von Kacheln aus einer Baugruppe. Winfree spekuliert, dass es eines Tages möglich sein könnte, dieses wachsende Repertoire an programmierbaren Komponenten zu synthetischen Systemen zusammenzuführen - nennen Sie sie Nanoroboter, wenn Sie möchten -, die in der Lage sind, eigenständig nützliche Aufgaben zu erfüllen. Die wirklich interessante Richtung, die uns DNA-Computing führt, besteht darin, zu sehen, wie weit wir lernen können, biochemische Reaktionen zu programmieren, sagt Winfree.

Das mag nach einem futuristischen Hype klingen, aber die Forscher beginnen bereits, Wege zu finden, dies zu tun. In den Bell Labs von Lucent Technologies arbeitet zum Beispiel der Physiker Bernie Yurke mit DNA, um ultrakleine molekulare Motoren zusammenzubauen. Yurke stellt sich vor, dass es eines Tages möglich sein könnte, einen DNA-Motor zu bauen, der über die DNA-Kachelkonstrukte von Winfree laufen und an bestimmten Stellen chemische Veränderungen vornehmen könnte. Sie könnten ein beliebig komplexes Muster erstellen, sagt Yurke, das dann auf ein Siliziumsubstrat übertragen werden könnte, um Schaltungen und Transistoren im Nanometerbereich herzustellen. Meine Hoffnung ist, dass in Zukunft komplizierte elektronische Strukturen wie Computer auf diese Weise hergestellt werden.

Elektronische Computer, die mit DNA zusammengebaut wurden, die berechnet? Es mag wie eine unwahrscheinliche Wendung in der Evolution des DNA-Computing klingen, aber es ist eine, von der Adleman glaubt, dass sie vollständig mit dem Feld übereinstimmt, das er mit ins Leben gerufen hat. Wie das Quantencomputing ist auch das DNA-Computing sehr futuristisch, und beide betonen, dass die Berechnung nicht in der Box auf unseren Schreibtischen stattfinden muss, sagt Adleman diesmal in einem Telefoninterview. Selbst wenn sie in Zukunft kein brauchbares Computermittel werden – und ich weiß nicht, ob sie es werden –, können wir vielleicht lernen, wie der echte Computer der Zukunft aussehen sollte.

Rechnen (und Konstruieren) mit DNA Organisation Schlüsselforscher Fokus Bell Labs Bernie Yurke, Allan Mills Herstellung von DNA-Motoren für die Montage elektronischer Komponenten Duke University/Caltech John Reif, Thomas LaBean, Erik Winfree (Caltech) Arbeiten an massiv paralleler Addition mit DNA-Kacheln New York University Nadrian Seeman Assembling komplexer Nanostrukturen aus DNA Princeton University Laura Landweber, Richard Lipton RNA-basierter Computer zum Lösen von Schachrätseln, bekannt als Ritterproblem University of Southern California Leonard Adleman Automatisierung eines in sich geschlossenen Laborsystems für DNA-Computing; hat theoretisch bewiesen, dass DNA den DES-Datenverschlüsselungsstandard knacken kann University of Wisconsin Robert M. Corn, Lloyd M. Smith, Anne E. Condon, Max G. Lagally Anpassung der DNA-Chip-Technologie, um DNA-Berechnungen auf einer festen Oberfläche durchzuführen

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