Forscher:innen der North Carolina State University und der Johns Hopkins University haben einen Durchbruch bei der Verwendung von DNA als Computer erzielt. In ihrer Studie „A primordial DNA store and compute engine“ (via Nature Nanotechnology) zeigen sie, wie DNA zum Speichern von Daten und zum Lösen einfacher Aufgaben genutzt werden kann.

Die Idee von DNA-Computern ist dabei nicht neu. Erste Experimente dazu gab es bereits in den 90er-Jahren. Allerdings verfolgen die Wissenschaftler:innen beim aktuellen Experiment einen anderen Ansatz. Bisherige DNA-Computer zerstören die genutzten DNA-Moleküle. In einem neuartigen Ansatz werden die Moleküle nicht allein in eine wässrige Lösung gegeben, wo sie schneller verfallen würden. Sie werden stattdessen auf ein Trägermaterial aus Zelluloseacetat aufgetragen, um möglichst lang haltbar gemacht zu werden.

Das Trägermaterial bildet in der Lösung sogenannte Kolloidpartikel, die eine Oberfläche von 200 Quadratzentimetern pro Milligramm aufweisen. Diese Oberfläche bietet Platz für zahlreiche DNA-Moleküle. Auf nur einem Partikel lassen sich DNA-Mengen binden, die einer Speicherkapazität von zehn Terabyte entsprechen. Pro Kubikzentimeter entspräche dies einem Speicherplatz von 10.000 Terabyte.

„Man könnte die Daten von Tausenden Laptops in DNA-Speicher unterbringen, der die Größe eines Radiergummis hat“, heißt es von Albert J. Keung, Projektleiter des Experiments (via NC State University). Die Wissenschaftler:innen gehen zudem davon aus, dass die DNA-Speicher die Daten über Tausende Jahre bewahren könnten, ohne zu verfallen. Ein weiterer Bonus ist, dass das Trägermaterial – die sogenannte Dendrikolloide – in der Herstellung recht kostengünstig ist.

In einem ersten Schritt haben die Wissenschaftler:innen die DNA-Moleküle genutzt, um JPEG-Bilder zu speichern. Dafür wurden insgesamt 2.775 DNA-Stränge erstellt, die jeweils 243 Nukleotiden aufwiesen. Diese DNA-Nukleotiden trugen die Code-Blöcke der JPEG-Bilder in sich. Wie bei Datenblöcken ergeben sie in der richtigen Reihenfolge das gespeicherte Bild.

In einem weiteren Experiment haben die Wissenschaftler:innen den DNA-Computer mit Sudoku- und Schachrätseln konfrontiert. Beide Rätselarten wurden auf ein Raster von 3 x 3 Feldern vereinfacht. Im Falle der Schachrätsel haben die Verantwortlichen circa 1.000 mögliche Figurenpositionen auf diesem Raster erstellt und per DNA abgespeichert. Bei Sudoku mussten die einzelnen Schritte zur Ermittlung der fehlenden Zahlen gespeichert werden.

In beiden Fällen wurden die DNA-Moleküle anschließend auf das Trägermaterial gegeben und zu RNA transkribiert. Alle RNA-Stränge ergeben zusammen alle möglichen Lösungen für die Rätsel, darunter allerdings auch falsche. Über das Enzym Ribonuklease H können falsche Lösungswege eliminiert werden.

Das Enzym kann nur Stränge abbauen, die aus RNA und DNA bestehen. Dementsprechend markieren die Wissenschaftler:innen die falschen Lösungen, indem komplementäre DNA-Stränge hinzugefügt werden. Nachdem das Enzym seine Arbeit verrichtet hat, bleiben nur gültige Lösungen aus RNA für die Schach- und Sudoku-Probleme übrig.

Abschließend sagt Keung zu den Erkenntnissen seines Teams: „Wir wollten etwas entwickeln, dass das Feld des Biological Computing inspirieren würde. Und wir hoffen, dass wir damit einen Schritt in diese Richtung gemacht haben“.

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