DNA-Computer berechnet Wurzeln bis 900 – Meilenstein der Molekül-Computing

Durchbruch im Reagenzglas

• Ein Computer aus DNA-Strängen im Reagenzglas berechnet Quadratwurzeln von Quadratzahlen 1 bis 900 (nur ganze Zahlen).
• Dies ist der fortschrittlichste DNA-Computer bislang.

Hintergrund: Grenzen der Silizium-Technologie

Intel und AMD fertigen Transistoren mit 10 nm Strukturbreite – nur das 10-fache eines DNA-Moleküls. Doch die Miniaturisierung stößt an physikalische Grenzen. Bald können wir keine kleineren, effizienteren elektronischen Geräte mehr bauen.

Eine vielversprechende Alternative: DNA-Computing – Nutzung von Biochemie, DNA und molekularbiologischer Hardware. Das Feld steckt noch in den Kinderschuhen, verspricht aber Lösungen für Probleme, die klassische Computer nicht bewältigen können.

Bisher demonstrierten Wissenschaftler DNA-Schaltkreise mit Dutzenden Logikgattern für einfache Logikfunktionen. Komplexe mathematische Operationen waren nicht realisierbar.

Der Rochester-Durchbruch

Forscher der University of Rochester entwickelten einen DNA-Computer, der Quadratwurzeln von Quadratzahlen (nur Integer) bis 900 berechnet: 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49 … 784, 841, 900.

Erreicht durch Design spezifischer DNA-Sequenzen und Programmierung von DNA-Strangverdrängungsreaktionen.

Drei molekulare Bausteine

Für den 10-Bit-Wurzel-Logikschaltkreis via Strangverdrängung entwickelte das Team drei Module:

1. Kognitives Modul (Input-Encoding): Eingaben kodieren ein bis zwei spezifische DNA-Nanoindikatoren. Eine Zahl wird mittels 10 Bausteinen auf DNA kodiert; verschiedene Kombinationen stehen für verschiedene Zahlen, gekoppelt an einen Fluoreszenzmarker.
2. Bio-Computing-Modul: 10-Bit-Wurzelberechnung via Hybridisierungsreaktion zwischen Input-Kombinationen und Reaktionsplattform. Das Fluoreszenzsignal ändert sich. Die Wurzel wird aus der Farbe extrahiert.
3. Definitionsmodul (Thresholding): Schwellenwertbildung der Outputs über Fluoreszenzsignale zum Nachweis des 10-Bit-Wurzel-Logikschaltkreises.

Input-Signale lassen sich über Output-Feedback optimieren – das verbessert Performance bei komplexeren Logikoperationen.

Ausblick

Dieser DNA-Computer bietet einzigartige strukturelle Programmierbarkeit und eine potente Datenbasis – neue Wege für komplexe Rechenschaltkreise und neuartige Funktionsbauelemente.

Das Team will die Technik erweitern: Simulation analoger/digitaler Signale für breitere Wurzelberechnungen (nicht nur Integer).

Insgesamt eröffnet die Studie universellere Anwendungen in Bioengineering und Biotechnologie. Forscher glauben: DNA-Computer werden Silizium-Chips bei massiver Datenverarbeitung und komplexen Berechnungen langfristig ablösen.

Quelle: Small | DOI:10.1002/smll.201903489