Nanotechnologie
Eine Billion Computer in einem Wassertropfen

Selbst mit starken Mikroskopen sieht man die Biorechner kaum. Billionen davon wirbeln durch den menschlichen Körper und überwachen jede Zelle.

 

Als eine Art Gesundheitspolizisten halten sie Ausschau nach gefährlichen Bakterien, lesen deren chemisches Programm, errechnen die passende Antwort der Zelle und verabreichen gleich das richtige Antibiotikum. Weiß die Zelle sich einmal nicht selbst zu helfen, "schlägt sie Alarm", schwärmt Professor Ehud Shapiro vom israelischen Weizmann-Institut.

Noch ist der körpereigene Biorechner zwar Science-Fiction. Doch einen ersten Schritt auf dem Weg zum Miniarzt in jeder Zelle hat das Wissenschaftlerteam um Shapiro geschafft. Ihnen gelang es, einen winzigen programmierbaren Computer in einem Reagenzglas herzustellen. Dieser biologische Nanocomputer ist so klein, dass eine Billion solcher Rechner in einem Wassertropfen Platz finden und parallel rechnen können.

Zusammen können diese Computer eine Milliarde Operationen pro Sekunde ausführen, mit einer Genauigkeit von über 99,8 Prozent, wobei sie nur ein milliardstel Watt Energie verbrauchen. "Die lebendige Zelle enthält unglaubliche molekulare Maschinen, und die Art, wie sie auf die molekularen Informationsträger wie die DNA einwirken, ist grundsätzlich der Berechnung mit Computern sehr ähnlich", sagt Shapiro.



Erbsubstanz DNA wird zerschnitten

Die Rechenmaschine Shapiros sieht nicht so aus, wie die Computer, die millionenfach auf oder unter deutschen Schreibtischen stehen. Seine Hardware besteht aus zwei Enzymen, das eine zerschneidet die Erbsubstanz DNA, das andere schweißt die Schnipsel wieder zusammen. Als Software agieren acht kurze DNA-Stücke. Will Shapiro seinen Rechner starten, drückt er nicht auf einen Schalter, er verrührt stattdessen Hard- und Software. Shapiro hat die Reaktionszyklen so ausgetüftelt, dass sie automatisch ablaufen. Sein Nanorechner basiert auf einem einfachen Automaten, der die beiden Zustände "null" und "eins" einnehmen und die Buchstaben "A" und "B" als Eingangselemente erkennen kann. Eine einfache Programmierung könnte lauten: Taucht in einer genetischen Buchstabenreihe ein "A" auf, so bleibe in deinem erlaubten Ausgangszustand "null". Lässt der Programmierer nur diese Regel zu, sortiert der Rechner sämtliche Buchstabenreihen aus, die neben dem "A" auch ein "B" enthalten.

Der Aufbruch in die unsichtbare Welt der Zwergenrechner begann 1993, als der amerikanische Mathematiker Leonhard Adleman bewies, dass man mit DNA rechnen kann. Das Enzym Polymerase, das in der Zelle die DNA vervielfältigt, sei eine "faszinierende kleine Nanomaschine, die aus einem einzigen Molekül besteht". Als Mathematiker fielen ihm bald Parallelen zu einem Gedankenmodell auf, das sich der britische Wissenschaftler Alan Turing bereits 1936 ausgedacht hatte. Dessen nur in der Theorie existierender Spielzeugcomputer, die Turing-Maschine, erkennt ein mathematisches Problem und errechnet daraus eine passende Antwort - eine Idee, die auf die Zellbiologie und die Polymerase übertragbar sein könnte. "Donnerwetter, die Dinger könnten ja rechnen", entfuhr es Adleman irgendwann im Winter 1993 nachts im Bett.

Mathematische Gedankenspiele

Den Beweis trat Adleman an: Er löste den Klassiker unter den mathematischen Gedankenspielen - das Handlungsreisenden-Problem. Der sollte eine bestimmte Zahl von Städten besuchen und dabei den kürzesten Weg finden. Die Schwierigkeit: Nicht alle Städte sind über Direktflüge verbunden, es gibt zudem Einbahnstraßen. Außerdem darf er jede Stadt nur einmal besuchen. Während das Problem mit einer kleinen Städtezahl noch leicht zu lösen ist, steigt der Rechenaufwand bei einer Zunahme der Zahl der Städte exponentiell an. So findet ein herkömmlicher Computer die Lösung für zehn Städte in fünf Sekunden, für 20 jedoch erst in 100.000 Jahren und ab 70 versagen selbst die schnellsten Rechner.

Adleman wählte sieben Städte mit 14 Einbahnstraßen aus. Er übersetzte das Prob-lem in die Sprache der DNA, indem er allen Städtenamen und Flugrouten eine bestimmte DNA-Buchstabenfolge zuordnete. Ein Mensch erkennt den richtigen Weg mit logischem Denken nach 54 Sekunden. Der DNA-Rechner war viel schneller. Das Ergebnis - die zu den Städtenamen passenden Flugrouten - las Adleman dank einer radioaktiven Markierung ab. "Innerhalb einer Sekunde hielt ich die Lösung des Problems in der Hand", freut sich der Mathematiker.

Neben biologischen und pharmakologischen Fragen sehen Computerwissenschaftler die Erfolg versprechendsten Anwendungen der Nanorechner bei Suchaufgaben: Etwa falsche Buchstabenkombinationen in der Erbinformation DNA. Hier sind herkömmliche Rechner schnell überfordert, weil sie alle Operationen Schritt für Schritt ausführen statt parallel wie Biocomputer. Daher ist Udo Feldkamp von der Arbeitsgruppe DNA-Computing der Universität Dortmund überzeugt, dass die Minirechner bei der Verarbeitung, vor allem aber der Verschlüsselung von Daten herkömmliche Computer übertrumpfen werden.

Von Jürgen Rees, Wirtschaftswoche

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