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.



  • Zusammenarbeit für das Quanteninternet

    Zusammenarbeit für das Quanteninternet

    Die Fraunhofer-Gesellschaft und das niederländische Forschungszentrum QuTech schließen sich in den Bereichen Quantenkommunikation und Quanteninformationsnetzwerke zusammen. Vertreter beider Institutionen haben dazu ein Memorandum of Understanding unterzeichnet.

    mehr lesen: Zusammenarbeit für das Quanteninternet

  • Hohe Erwartungen an die Blockchain

    Hohe Erwartungen an die Blockchain

    Die Blockhain soll Unternehmen u.a. neue Geschäftsmodelle ermöglichen. Laut einer Bitkom-Befragung kommt die Technologie bisher aber nur selten zum Einsatz.

    mehr lesen: Hohe Erwartungen an die Blockchain

  • Liliana Scheck leitet Teradata Schweiz

    Liliana Scheck leitet Teradata Schweiz

    Teradata Schweiz setzt Liliana Scheck als neue Country Managerin ein. Wie das Unternehmen mitteilt, soll ihr Fokus auf mehr Partnerschaften und Cloud-Innovationen liegen.

    mehr lesen: Liliana Scheck leitet Teradata Schweiz

  • Neuer Senior Vice President und General Manager EMEA bei Red Hat

    Neuer Senior Vice President und General Manager EMEA bei Red Hat

    Hans Roth wird neuer Senior Vice President und General Manager EMEA bei Red Hat. Er folgt auf Werner Knoblich, der das Unternehmen zum Jahresende verlassen wird.

    mehr lesen: Neuer Senior Vice President und General Manager EMEA bei Red Hat

  • Acht von zehn werden Opfer von Cyberattacken

    Acht von zehn werden Opfer von Cyberattacken

    Acht von zehn Personen (79 Prozent) waren in den vergangenen 12 Monaten von kriminellen Vorfällen im Netz betroffen. Nur noch eine kleine Minderheit von 21 Prozent gibt an, keine solchen…

    mehr lesen: Acht von zehn werden Opfer von Cyberattacken

  • Forterro übernimmt Myfactory

    Forterro übernimmt Myfactory

    Mit der Übernahme des Cloud-ERP-Softwareanbieter Myfactory will Forterro seine Stellung im Dach-Markt ausbauen. Das Unternehmens soll nach der Übernahme eigenständig innerhalb der Forterro-Gruppe agieren.

    mehr lesen: Forterro übernimmt Myfactory

  • Weltweite Roboterdichte in fünf Jahren verdoppelt

    Weltweite Roboterdichte in fünf Jahren verdoppelt

    Mit seiner Roboterdichte von 371 Industrie-Robotern pro 10.000 Mitarbeiter liegt Deutschland laut aktuellem World Robotics Report unter den Top 5 weltweit. An erster Stelle liegt nach wie vor Südkorea.

    mehr lesen: Weltweite Roboterdichte in fünf Jahren verdoppelt

  • BSI warnt vor Schwachstelle in Java-Bibliothek Log4j

    BSI warnt vor Schwachstelle in Java-Bibliothek Log4j

    Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik hat seine bestehende Cyber-Sicherheitswarnung für die Schwachstelle in der Java-Bibliothek Log4j auf Rot hochgestuft.

    mehr lesen: BSI warnt vor Schwachstelle in Java-Bibliothek Log4j

  • Open-Source-Einsatz oftmals ohne Strategie

    Open-Source-Einsatz oftmals ohne Strategie

    Zwei von drei Unternehmen stehen Open Source aufgeschlossen gegenüber, so eine Bitkom-Studie. 25 Prozent der Befragten verfolgen beim Einsatz von Open-Source-Software eine Strategie.

    mehr lesen: Open-Source-Einsatz oftmals ohne Strategie

  • CyberArk stellt Blueprint für die Umsetzung vor

    CyberArk stellt Blueprint für die Umsetzung vor

    Der Netzwerkperimeter hat für die Sicherheit in einer Zeit der verstärkten Nutzung von Cloud-Services und Automatisierungslösungen sowie der Remote-Arbeit an Bedeutung verloren.

    mehr lesen: CyberArk stellt Blueprint für die Umsetzung vor

  • Ixon verlegt  Firmensitz

    Ixon verlegt Firmensitz

    Mit der Verlegung des Firmensitzes ins niederländische Boxmeer will sich der IIoT-Spezialist Ixon für weiteres Mitarbeiterwachstum rüsten. Zugleich erhofft sich das Unternehmen durch die Nähe zur deutschen Grenze größeres Potenzial…

    mehr lesen: Ixon verlegt Firmensitz

  • Siemens Mobility kooperiert mit RazorSecure

    Siemens Mobility kooperiert mit RazorSecure

    Siemens Mobility und RazorSecure haben eine Kooperationsvereinbarung unterzeichnet, um Betreibern von Schienenfahrzeugen weltweit verbesserte Lösungen für die Cybersicherheit im Bahnverkehr anbieten zu können.

    mehr lesen: Siemens Mobility kooperiert mit RazorSecure