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Aus dem Werkzeugkasten der Natur…

Rechnen mit Biomolekülen

Gel, das rechnen kann, eine Molekülbrühe, die komplexe Algorithmen löst und dünne Farbschichten, die Informationen weiterleiten und verarbeiten – nach Ansicht vieler Wissenschaftler könnten so die Computer der Zukunft aussehen. Biocomputer statt Siliziumchips, „Wetware“ statt Hardware – an die Stelle von Chips, Transistoren und Platinen träten dann DNA, Bacteriorhodopsin und andere Biomoleküle. Leitungsbahnen würden durch chemische oder biologische Interaktion zwischen den Molekülen ersetzt.

Reine Zukunftsmusik? Nicht für Forscher wie Leonard Adleman von der Universität von Südkalifornien in Los Angeles, Bob Birge vom Keck Center für molekulare Elektronik in Syracuse oder Tim Gardner von der Firma Cellicon Biotechnologies in Boston. Sie und viele andere Computerwissenschaftler weltweit arbeiten bereits seit Jahren daran, funktionierende Biocomputer zu entwickeln. Auf jeweils unterschiedliche Weise bedienen sich die Forscher dabei der Ressourcen der Natur, um die Grenzen der heutigen Computertechnik zu überwinden.

„Jede lebende Zelle enthält tausende von unglaublich kleinen, erstaunlich präzisen Instrumenten in Form von Molekülen als eine Art „Werkzeugkasten der Natur““, erklärt Leonard Adleman. „Ich glaube, dass es zu einer „molekularen Revolution“ kommen wird, die dramatische Auswirkungen für die gesamte Welt haben könnte, wenn wir es lernen, diese Werkzeuge zu gebrauchen.“

Gegenüber herkömmlichen technischen Bauteilen haben Biomoleküle gleich mehrere Vorteile: Die Produktion der Grundbausteine ist meist günstig, entweder sie vermehren sich selbst oder sie können durch relativ einfache chemische und biotechnische Verfahren hergestellt werden. Und sie sind klein – sehr klein. Schon ein Gramm DNA enthält mehr Information als eine Million CDs und eine DNA-Menge von der Größe einer Träne könnte die schnellsten Supercomputer der heutigen Zeit an Rechenleistung um ein Vielfaches übertreffen.

Und noch einen entscheidenden Vorteil hat die Natur: „Wenn man einen herkömmlichen Computer öffnet und ein winziges Bauteil beschädigt, hört er auf zu arbeiten. Biologische Systeme dagegen können Schäden und Fehlfunktionen abpuffern und sind daher weitaus weniger empfindlich“, erklärt Tom Knight, Computerwissenschaftler am Artificial Intelligence Lab des Massachussetts Institute of Technology.

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Wie sich diese Vorteile am besten in konkrete Technologien umsetzen lassen, versuchen die Biocomputerforscher auf ganz unterschiedlichem Wege herauszufinden: Während Adleman vor allem auf die Rekombinationsfähigkeiten des Erbmoleküls DNA setzt, arbeiten andere wie Bob Birge daran, Biomoleküle wie Bacteriorhodospin in elektronische und photonische Bauteile zu integrieren.

Wieder andere, darunter auch Tim Gardner, versuchen, Zellen wie das Bakterium Escherischia coli als lebende, sich replizierende Schalter einzusetzen. Auch hybride Formen werden zur Zeit bereits erprobt: Am Georgia Institute of Technology gelang es, lebende Nervenzellen mit einem Computer zu verbinden und diesen „Neuro-Computer“ einfache Additionen durchführen zu lassen.

Trotz der Vielfalt der Ideen und Ansätze, noch bewegen sich alle diese Versuche auf der rein experimentellen Ebene, weit von einer konkreten Umsetzbarkeit entfernt. Doch auch wenn es noch Jahrzehnte dauern könnte, bis es tatsächlich die ersten Biocomputer geben wird, dem Rechnen mit der Natur, davon sind Adleman und seine Kollegen überzeugt, gehört die Zukunft.

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Stand: 16.10.2001

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Computer der Zukunft
Rechnen mit Quanten, Licht und DNA

An zwei Orten zugleich...
Geheimnisse der Quantenwelt

Weder Null noch Eins oder beides zugleich...
Das Prinzip des Quantenbits

Messen ohne hinzuschauen...
Hindernisse auf dem Weg zum Quantencomputer

Aus dem Werkzeugkasten der Natur...
Rechnen mit Biomolekülen

Eine spezielle Aufgabe für die DNA...
Das Problem eines Handlungsreisenden

Man nehme einen Teelöffel voll DNA...
Adlemans DNA-Rechenexperiment

Sieben Städte in sieben Tagen...
Suche nach der Nadel im Heuhaufen

DNA so schwer wie die Erde...
Hindernisse auf dem Weg zum DNA-Computer

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