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Man nehme einen Teelöffel voll DNA…

Adlemans DNA-Rechenexperiment

Für sein Hamiltonsches DNA-Experiment wählte Adleman einen Graphen mit sieben Städten und 14 Einbahnstraßen aus. Untersuchungen haben ergeben, dass ein Mensch bei einer solchen Anordnung durchschnittlich 54 Sekunden braucht, bis er den einzigen Weg, der alle Städte genau einmal berührt gefunden hat. Wie lange würde die DNA brauchen?

Adleman begann, indem er allen Städtenamen eine bestimmte DNA-Sequenz aus jeweils acht Basen zuordnete. Die ersten vier Buchstaben bildeten gewissermaßen den Vornamen der Stadt, die letzten vier den Nachnamen. Jeder Direktflug zwischen den Städten setzte sich aus dem Nachnamen der Ausgangsstadt und dem Vornamen der Zielstadt zusammen.

Steht beispielsweise die Sequenz ACTT GCAG für Atlanta und TCGG ACTG für Boston, hätte der Direktflug von Atlanta nach Boston die „Flugnummer“ GCAG TCGG. Da sich jede Base der DNA-Sequenz immer nur mit einer anderen, komplementären Base verbindet, Adenin (A) nur mit Thymin (T), Cytosin (C) nur mit Guanin (G), gibt es auch für jeden Städtenamen eine komplementäre Version: Die komplementäre Version von Boston (TCGG ACTG) wäre beispielsweise AGCC TGAC.

Adleman ließ alle komplementären Städtenamen und die Flugrouten-Sequenzen künstlich herstellen und gab von jeder Sequenz eine winzige Menge in ein Reagenzglas mit Salzlösung und bestimmten Enzymen, den Ligasen. Adleman: „Innerhalb einer Sekunde hielt ich die Lösung des Problems in der Hand.“ Was war geschehen? In der Lösung hatten sich die komplementären Städtenamen und die Flugrouten so zu einem Doppelstrang zusammengelagert, dass, wie in einer Reihe sich überlappender Legosteine, immer die „Nachnamen“ der einen Stadt über die Flugroutensequenz mit dem „Vornamen“ der Folgestadt verbunden wurden. Die Ligasen sorgten dafür, dass die aufeinanderfolgenden Sequenzen jedes Stranges untereinander verklebt wurden.

Am Ende dieses Prozesses enthielt das Reagenzglas ein Gemisch von Millionen von DNA-Strängen, die jeweils unterschiedliche Abfolgen von Städten darstellten. Doch genau hier lag das Problem. Der DNA-Computer hatte zwar innerhalb von kürzester Zeit alle auszutestenden Möglichkeiten zugleich produziert, hatte also massiv parallele „Berechnungen“ angestellt, aber leider lag die einzig richtige Lösung des Hamilton-Problems nun inmitten von rund 100 Milliarden Molekülen mit der falschen Kombination verborgen. Was also tun?

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Stand: 16.10.2001

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Inhalt des Dossiers

Computer der Zukunft
Rechnen mit Quanten, Licht und DNA

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