Biologisches Rechnen mit digitaler Ausgabe
Um die Rechenaufgabe zu lösen, erhält der DNA-Rechner zunächst die beiden zu multiplizierenden Werte in Form zweier DNA-Stränge. ‘”Jeder dieser beiden Stränge repräsentiert eine Zahl”, erklären die Forscher. Ein Teil der Stränge besteht aus einem mit allen anderen Strängen kompatiblen Code, ein anderer ist dagegen spezifisch für die gewünschte Zahl. “Wenn diese Stränge nun mit der Bibliothek von Ergebnissen gemischt werden, lagern sie sich zu Dreier-Kombinationen zusammen”, berichten Gothelf und seine Kollegen: Die beiden Zahlensequenzen binden an den Lösungsstrang, der beide Gegenparts dieser Codes enthält. “Das kann man ein wenig mit einem logischen UND-Gatter vergleichen, da beide Aufgabenstränge vorhanden sein müssen, um die korrekte Lösung auszuwählen”, so die Forscher. Der Lösungsstrang wiederum trägt neben den beiden Sequenzen für die Ausgangszahlen auch einen Codeteil, der die Lösung repräsentiert. Damit ist der wichtigste Schritt geschehen – das Ergebnis der Rechenaufgabe ist gewählt. Im Experiment führten die Forscher auf diese Weise 15 verschiedene Multiplikationen mit Ausgangszahlen zwischen eins und fünf und Ergebnissen zwischen eins und 15 durch.
Allerdings: Die beste mathematische Lösung nutzt wenig, wenn man sie nicht auslesen kann. Um dieses Problem so zu lösen, dass man nicht extra die DNA sequenzieren muss, entwickelten die Wissenschaftler ein raffiniertes Ausgabesystem. In diesem verbindet sich der Komplex aus Aufgabensträngen und Lösungsstrang mit weiteren, fluoreszierenden Biomolekülen. Diese wiederum sind so konstruiert, dass sie sich in einem digitalen Mikrodisplay zu einer per Mikroskop lesbaren Ziffer zusammenfinden. “Durch leichte Veränderungen am Chip-Design kann der Output sogar in einer Form erfolgen, die mit dem bloßen Auge sichtbar ist”, berichten Gothelf und seine Kollegen. In ihrem Experiment erscheint die Lösungszahl dann als beige Ziffern auf braunem Grund.
Noch ist der DNA-Rechner nicht sonderlich schnell: Für eine Aufgabe muss er zwei Stunden lang “bebrütet” werden. Dennoch sehen die Forscher für die Zukunft durchaus praktischen Nutzen in einem solchen DNA-Rechner. So könnte er beispielsweise Krankheiten erkennen helfen, indem er Nukleinsäure-Schnipsel von Patienten mit krankheitsspezifischen Lösungssträngen kombiniert. “Das System könnte eine Schlüsselkomponente für künftige, leistungsfähigere Datenverarbeitungssysteme in Diagnose und Sensortechnik werden”, so Gothelf und seine Kollegen.
