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.



  • Wieder mehr Kurzarbeit im November

    Wieder mehr Kurzarbeit im November

    Erstmals seit Februar ist die Zahl der Kurzarbeitenden in Deutschland wieder gestiegen. Wie das Ifo Institut mitteilt, waren im November 10.000 Beschäftigte mehr in Kurzarbeit als noch im Oktober.

    mehr lesen: Wieder mehr Kurzarbeit im November

  • Datasensing geht an den Start

    Datasensing geht an den Start

    Zum Jahreswechsel geht das Unternehmen Datasensing an den Start. Das Unternehmen entsteht aus dem Zusammenschluss von Micro Detectors und dem Datalogic-Geschäftsbereich ‘Sensor & Safety and Machine Vision‘.

    mehr lesen: Datasensing geht an den Start

  • Unternehmen setzen auf Individualsoftware

    Unternehmen setzen auf Individualsoftware

    Jedes Unternehmen hat andere Bedürfnisse, wenn es um den Einsatz von Software geht. Standardlösungen können dies oftmals nicht ausreichend abbilden. Daher setzt laut einer Techconsult-Studie jedes zweite Unternehmen auf Individualsoftware.

    mehr lesen: Unternehmen setzen auf Individualsoftware

  • Allgeier erwirbt Mehrheit an Evora IT Solutions

    Allgeier erwirbt Mehrheit an Evora IT Solutions

    Allgeier übernimmt Evora IT Solutions, einen Spezialisten für Kundenservice- und Instandhaltungslösungen. Damit will Allgeier seine SAP- und ServiceNow Beratung ausbauen.

    mehr lesen: Allgeier erwirbt Mehrheit an Evora IT Solutions

  • Zu wenig sozialer Kontakt im Homeoffice

    Zu wenig sozialer Kontakt im Homeoffice

    Wo ist die Arbeitsbelastung höher – im Büro oder im Homeoffice? Dieser Frage ist die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung nachgegangen und hat im Rahmen einer Studie ermittelt, dass die Arbeitsbelastung nicht…

    mehr lesen: Zu wenig sozialer Kontakt im Homeoffice

  • Arbeitslosigkeit sinkt langsamer

    Arbeitslosigkeit sinkt langsamer

    Trotz des dritten Rückgangs in Folge verbleibt das IAB-Arbeitsmarktbarometer noch auf einem hohen Niveau. Einen größeren Rückschlag durch die vierte Pandemie-Welle erwarten die Experten des Instituts für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung…

    mehr lesen: Arbeitslosigkeit sinkt langsamer

  • Diego Rapela wird CTO bei Auvesy

    Diego Rapela wird CTO bei Auvesy

    Zusätzlich zu CEO Dr. Tim Weckerle und COO Stefan Jesse wird zukünftig auch Dr. Diego Ricardo Rapela dem Auvesy-Management-Team angehören. Er übernimmt die neugeschaffene Position des Chief Technology Officers.

    mehr lesen: Diego Rapela wird CTO bei Auvesy

  • Keine Erholung beim Materialmangel

    Keine Erholung beim Materialmangel

    Nach einem leichten Rückgang im vergangenen Monat, hat sich der Materialmangel in der Industrie im November wieder verstärkt. Rund drei Viertel der Unternehmen klagen über Engpässe.

    mehr lesen: Keine Erholung beim Materialmangel

  • Congatec und Sysgo gehen Partnerschaft ein

    Congatec und Sysgo gehen Partnerschaft ein

    Congatec gibt seine strategische Partnerschaft mit Sysgo bekannt. Ziel ist es, den Märkten für kritische Systeme – wie Industrieautomation, Medizintechnik, Smart Energy, Eisenbahn, kommerzielle und autonome Fahrzeuge oder Baumaschinen -…

    mehr lesen: Congatec und Sysgo gehen Partnerschaft ein

  • Exportindustrie mit verbesserten Erwartungen

    Exportindustrie mit verbesserten Erwartungen

    Nach einem Rückgang im Oktober haben sich die Exporterwartungen der deutschen Unternehmen im November wieder verbessert. Nach Angaben des Ifo Instituts erwarten dabei vor allem die Automobilindustrie und Hersteller elektrischer…

    mehr lesen: Exportindustrie mit verbesserten Erwartungen

  • CAS und ELO kooperieren

    CAS und ELO kooperieren

    Enterprise Content Management und Customer Relationship Management näher aneinander rücken ist das Ziel der Kooperation zwischen ELO Digital Office und CAS Software.

    mehr lesen: CAS und ELO kooperieren

  • Fünf IT-Trends für 2022

    Fünf IT-Trends für 2022

    Auch 2022 werden sich die IT-Systeme von Unternehmen weiterentwickeln. Oliver Rozić, Vice President Product Engineering bei Sage, weiß wie und welche Trends dabei eine Rolle spielen könnten.

    mehr lesen: Fünf IT-Trends für 2022