KIT-Wissenschaftler forschen an DNA-basierten Computerchips

Um das Verhalten der DNA nachvollziehbar und vorhersagbar zu machen, kombinieren die Forschenden Laborexperimente mit Computersimulationen.
Um das Verhalten der DNA nachvollziehbar und vorhersagbar zu machen, kombinieren die Forschenden Laborexperimente mit Computersimulationen. – Bild: ©Lennart Hilbert / KIT

Im menschlichen Körper verarbeiten Stammzellen genetische Informationen äußerst verlässlich und sehr schnell. Dazu greifen sie gezielt auf bestimmte Abschnitte der DNA im Zellkern zu. Wie das DNA-basierte Informationssystem funktioniert, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersucht. Der Vorgang lasse sich mit Prozessen in modernen Computern vergleichen und könnte als Vorbild für neue Arten von DNA-basierten Computerchips dienen, so die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.

Die Untersuchungen zeigen, dass biomolekulare Kondensate das schnelle und trotzdem zuverlässige Aktivieren der richtigen Gene ermöglichen. „Biomolekulare Kondensate sind winzige Tropfen, die sich ähnlich wie die Tröpfchen am Badezimmerspiegel nach einer heißen Dusche an bestimmten Stellen der DNA bilden und sich dabei wie Öl in Wasser verhalten“, sagt Professor Lennart Hilbert vom Institut für Biologische und Chemische Systeme (IBCS) des KIT. „Sie enthalten molekulare Maschinen, also eine Ansammlung bestimmter Moleküle, die für das Aktivieren von Genen nötig sind.“

Die Forschenden vergleichen diesen Vorgang mit der die Von-Neumann-Architektur, einem zentralen Prinzip der Informatik, das heutigen Computern und auch Smartphones zugrunde liegt. In dieser Architektur kann sich ein einziger Prozessor mit hoher Geschwindigkeit gezielt mit einer einzigen Adresse in einem großen Arbeitsspeicher (RAM) verbinden. Dieses Prinzip wollen die Forschenden nun auf künstliche, DNA-basierte Computerchips übertragen, was zukünftig etwa die Steuerung biotechnologischer und biomedizinischer Anwendungen ermöglichen könnte.

Laborexperimente mit Computersimulation kombiniert

„Um solche biomolekularen Kondensate, also die Rechenzentren der Zellkerne, nachbilden und künstliche DNA-Nanostrukturen für Computerchips bauen zu können, kombinieren wir klassische Laborexperimente mit modernen Computersimulationen. Mit den digitalen Modellen der DNA-Nanostrukturen können wir das Verhalten der Kondensate nachvollziehen und sogar vorhersagen“, erklärt Mona Wellhäusser, Doktorandin am IBCS.

Dazu simulieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Computer ein System, in dem Enzyme wie kleine Maschinen arbeiten und spezifische Aufgaben erledigen, z.B. Rechnungen ausführen. Damit diese Enzyme an den richtigen Ort auf der DNA gelangen, nutzen sie die Oberflächenkondensation, bei der sich die Enzyme wie von selbst an bestimmten Stellen auf der DNA ansammeln – genau dort, wo sie gebraucht werden. Wurden in der Simulation Kandidaten identifiziert, die sich korrekt verhalten, werden sie real synthetisiert und in Reagenzgläsern auf ihre tatsächlichen Eigenschaften geprüft. „Das beschleunigt den Forschungsprozess ungemein, da Computersimulationen sehr viel weniger Zeit erfordern als Laborexperimente“, so Hilbert. „Bisher konnten wir nur eine Adresse ansteuern. Aber mit unserer Forschung ebnen wir den Weg, um ein umfassenderes Adresssystem und völlig neue, DNA-basierte Speicher- und Computersysteme zu entwickeln, deren Architektur sich am Vorbild der Natur orientiert.“

Der Corona-mRNA-Impfstoff und eine kürzlich erfolgreiche patientenspezifische, ‚programmierte‘ Gentherapie würden schon heute das Potenzial von durch DNA und RNA programmierbaren Biotechnologien zeigen, so die Forschenden. Ein weiteres vielversprechendes Anwendungsfeld seien ‚DNA-Chips‘ zur intelligenten Steuerung von Krebstherapien. Sie könnten Immunzellen gezielt umprogrammieren, sodass diese aktiv werden, sobald sie auf Krebszellen treffen.

Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ‚Annals of the New York Academy of Sciences‘ veröffentlicht.



  • Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

    Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

    Arvato Systems und Advanco, ein Anbieter von Track & Trace-Systemen für die Pharma- und Life Science-Branche, bündeln ihre Expertise und starten eine Partnerschaft.

    mehr lesen: Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

  • Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

    Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

    Im September 2024 hat der SAP-Gold-Partner und Cloudspezialist Innovabee seine Geschäftsführung um Saskia Fontanive und Christian Schweizer erweitert.

    mehr lesen: Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

  • Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

    Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

    Siemens plant, sein eMobility-Geschäft auszugliedern. Im Jahr 2018 bündelte das Unternehmen seine Ladeaktivitäten für Elektrofahrzeuge und überführte diese 2022 in eine eigene Geschäftseinheit.

    mehr lesen: Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

  • Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Cybersicherheitsforschende stehen mitunter gefühlt mit einem Bein im Gefängnis – es herrscht viel Unsicherheit darüber, was rechtlich im Rahmen von Wissenschaft erlaubt ist und was nicht.

    mehr lesen: Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

  • DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    Das Taiwan AI Center of Excellence (AICoE) und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) haben eine Absprache zur wissenschaftlichen Zusammenarbeit geschlossen.

    mehr lesen: DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

  • Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Der Auftragsbestand in der Industrie ist nach vorläufigen Angaben des Statistischen Bundesamtes (Destatis) im Juli 2024 gegenüber Juni 2024 saison- und kalenderbereinigt um 1 Prozent gestiegen.

    mehr lesen: Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

  • Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Die Weidmüller-Gruppe gibt zum 1. Oktober 2024 Veränderungen in der ersten Führungsebene bekannt: Dr. Sebastian Durst, bisher Vorstand Operations, übernimmt die neu geschaffene Position des Chief Executive Officer (CEO).

    mehr lesen: Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

  • Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

    Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

    Jörg Ziesmann (Bild) ist neuer Sales Director beim KI-Robotik-Spezialisten Sereact.

    mehr lesen: Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

  • RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

    RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

    Der Lehrstuhl ‚Production Engineering of E-Mobility Components‘ (PEM) der RWTH Aachen erarbeitet mit Partnern aus der Forschung und der Industrie in den nächsten drei Jahren ein nachhaltiges elektrochemisches Speicherkonzept auf…

    mehr lesen: RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

  • Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

    Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

    Theobald Software, ein Spezialist für SAP-Integration, strukturiert seine Führungsspitze neu und geht damit den nächsten Schritt in der Unternehmensgeschichte.

    mehr lesen: Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

  • Docufy übernimmt KI-Spezialisten Theum

    Docufy übernimmt KI-Spezialisten Theum

    Docufy, ein Anbieter von Software für die Technische Dokumentation, gibt die Übernahme der Theum AG bekannt.

    mehr lesen: Docufy übernimmt KI-Spezialisten Theum

  • Wie hilft Open-Source-Software in der Automobilentwicklung?

    Wie hilft Open-Source-Software in der Automobilentwicklung?

    Unter dem Titel ‚Driving Innovation & Building Safer Cars with Open Source Software‘ liefert eine Studie der Open-Source-Organisation Eclpise Foundation Erkenntnisse darüber, wie Entscheidungsträger und Softwareexperten in der Automobilindustrie Open-Source-Software…

    mehr lesen: Wie hilft Open-Source-Software in der Automobilentwicklung?