Einem Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Forschern der Caltech University gelang ein kleiner, aber bedeutender Schritt in der Entwicklung frei programmierbarer Chemiecomputer. Als grundlegende Rechenelemente in solchen Systemen werden DNA-Sätze verwendet, die aufgrund ihres natürlichen Wesens die Fähigkeit besitzen, sich selbst zu organisieren und zu wachsen. Damit DNA-basierte Computersysteme funktionieren, sind lediglich warmes Brackwasser, ein in DNA kodierter Wachstumsalgorithmus und ein grundlegender Satz an DNA-Sequenzen erforderlich.
Bisher erfolgte das „Rechnen“ mit DNA ausschließlich anhand einer einzigen Sequenz. Für willkürliche Berechnungen waren die aktuellen Methoden nicht geeignet. Wissenschaftler von Caltech konnten diese Einschränkung überwinden und stellten eine Technologie vor, die beliebige Algorithmen ausführen kann, indem sie einen Grundsatz bedingt logischer DNA-Elemente und eine Stichprobe von 355 Grund-DNA-Sequenzen verwenden, die für den „Berechnungsalgorithmus“ verantwortlich sind – ein Analogon von Computeranweisungen. Ein logischer „Keim“ und eine Reihe von „Anweisungen“ werden in die Salzlösung eingebracht, woraufhin die Berechnung beginnt – der Aufbau der Sequenz.
Das Grundelement oder der „Samen“ ist eine DNA-Faltung (DNA-Origami) – eine Nanoröhre mit einer Länge von 150 nm und einem Durchmesser von 20 nm. Die Struktur des „Samens“ bleibt praktisch unverändert, unabhängig vom Algorithmus, der berechnet wird. Die Peripherie des „Samens“ wird so geformt, dass an seinem Ende der Aufbau von DNA-Sequenzen beginnt. Es ist bekannt, dass der wachsende DNA-Strang aus Sequenzen zusammengesetzt ist, die in molekularer Struktur und chemischer Zusammensetzung mit den vorgeschlagenen Sequenzen übereinstimmen, und nicht zufällig. Da die Peripherie des „Samens“ in Form von sechs bedingten Toren dargestellt wird, wobei jedes Tor zwei Eingänge und zwei Ausgänge hat, beginnt das Wachstum der DNA einer vorgegebenen Logik (Algorithmus) zu gehorchen, die, wie oben erwähnt, durch dargestellt wird ein gegebener Satz von DNA-Sequenzen aus 355 Grundsequenzen, platziert in einer Lösungsoption.
Während Experimenten zeigten Wissenschaftler die Möglichkeit, 21 Algorithmen auszuführen, darunter das Zählen von 0 bis 63, die Auswahl eines Anführers, die Bestimmung der Division durch drei und andere, obwohl nicht alles auf diese Algorithmen beschränkt ist. Der Berechnungsprozess verläuft Schritt für Schritt, da die DNA-Stränge an allen sechs Ausgängen des „Samens“ wachsen. Dieser Vorgang kann ein bis zwei Tage dauern. Die Herstellung eines „Samens“ nimmt deutlich weniger Zeit in Anspruch – von einer bis zwei Stunden. Das Ergebnis der Berechnungen kann man unter dem Elektronenmikroskop mit eigenen Augen betrachten. Die Röhre entfaltet sich zu einem Band, und auf dem Band ist an den Stellen jedes „1“-Werts der DNA-Sequenz ein unter dem Mikroskop sichtbares Proteinmolekül angebracht. Nullen sind durch ein Mikroskop nicht sichtbar.
Natürlich ist die Technologie in ihrer vorgestellten Form weit davon entfernt, vollwertige Berechnungen durchzuführen. Bisher ist es so, als würde man ein Tonband aus einem Fernschreiber vorlesen, das sich über zwei Tage erstreckt. Die Technologie funktioniert jedoch und lässt viel Raum für Verbesserungen. Es wurde deutlich, in welche Richtung wir uns bewegen können und was getan werden muss, um chemische Computer näher zu bringen.
Source: 3dnews.ru