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.



  • Zwei Neuzugänge bei Igel

    Zwei Neuzugänge bei Igel

    Christiane Ohlgart und Kris Hamner verstärken das Management-Team von Igel. Ohlgart wird als neue Finanzchefin und Hamner als neuer Personalchef zum Executive Team in San Francisco stoßen.

    mehr lesen: Zwei Neuzugänge bei Igel

  • Einheitliche Standards für die Industrie 4.0

    Einheitliche Standards für die Industrie 4.0

    In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsprojekt InterOpera wollen Forscherinnen und Forscher zusammen mit der Industrie einheitliche Methoden zur Umsetzung der Verwaltungsschale in der Praxis erarbeiten.

    mehr lesen: Einheitliche Standards für die Industrie 4.0

  • BSI fordert den Crashtest für Cyber-Sicherheit

    BSI fordert den Crashtest für Cyber-Sicherheit

    In seinem Branchenbild Automotive spricht sich das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik dafür aus, auch die Cybersicherheit in der Lieferkette der Automobilbauer bzw. in einem frühen Entwicklungsstadium in den…

    mehr lesen: BSI fordert den Crashtest für Cyber-Sicherheit

  • Schnittstellen validieren in regulierten Industrien

    Schnittstellen validieren in regulierten Industrien

    Die Richtlinie VDI/VDE 3516 Blatt 6 ‚Validierung im GxP-Umfeld – Validierung von Schnittstellen‘ ist im August 2021 erschienen. Sie lässt sich zur Validierung von Schnittstellen zwischen computergestützten Systemen im regulierten…

    mehr lesen: Schnittstellen validieren in regulierten Industrien

  • Motek 2021: Montagetechnik-Messe mit echten Menschen

    Motek 2021: Montagetechnik-Messe mit echten Menschen

    Fachbesucher der industriellen Automatisierungsbranche treffen sich vom 5. bis 8. Oktober auf dem Messeduo Motek/Bondexpo in Stuttgart. Beide Messen sollen als Präsenzmesse stattfinden.

    mehr lesen: Motek 2021: Montagetechnik-Messe mit echten Menschen

  • Materialmangel der Industrie verschärft sich

    Materialmangel der Industrie verschärft sich

    Der Materialmangel in der deutschen Industrie hat sich weiter verschärft. 69,2 Prozent der Industriefirmen in Deutschland klagten im August laut einer Umfrage des Ifo Instituts über Engpässe und Probleme bei…

    mehr lesen: Materialmangel der Industrie verschärft sich

  • T-Systems und Google arbeiten an souveräner Cloud

    T-Systems und Google arbeiten an souveräner Cloud

    Gemeinsam wollen T-Systems und Google Cloud ab Mitte 2022 eine souveräne Cloud für Deutschland zur Verfügung stellen. Der Betrieb der Cloud unterliegt dabei der Kontrolle von T-Systems.

    mehr lesen: T-Systems und Google arbeiten an souveräner Cloud

  • Open Industry 4.0 Alliance und Packaging Valley arbeiten zusammen

    Open Industry 4.0 Alliance und Packaging Valley arbeiten zusammen

    Open Industry 4.0 Alliance und Packaging Valley wollen gemeinsam die herstellerübergreifende Integration in der Verpackungsindustrie realisieren. Die Schwerpunkte der Zusammenarbeit liegen auf Master Data Management, Plant Analytics und Predictive Maintenance.

    mehr lesen: Open Industry 4.0 Alliance und Packaging Valley arbeiten zusammen

  • Pepperl+Fuchs übernimmt Aava

    Pepperl+Fuchs übernimmt Aava

    Das finnische Unternehmen Aava gehört ab sofort zur Pepperl+Fuchs-Gruppe. Das Unternehmen bietet u.a. Tablet Computer für die Industrie ab.

    mehr lesen: Pepperl+Fuchs übernimmt Aava

  • Manufacturing Execution-Systeme im Vergleich

    Manufacturing Execution-Systeme im Vergleich

    Der vom Trovarit Competence Center MES in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) und dem VDI herausgegebene ’Aachener Marktspiegel Business Software – MES/Fertigungssteuerung 2021/2022‘, untersucht das Angebot…

    mehr lesen: Manufacturing Execution-Systeme im Vergleich

  • Weniger Kurzarbeit im August

    Weniger Kurzarbeit im August

    In Deutschland waren im August nach Angaben des Ifo Instituts 688.000 Menschen in Kurzarbeit, ein deutlicher Rückgang im Vergleich zum Vormonat. Die Lieferengpässe in der Industrie hatten demnach kaum Auswirkungen…

    mehr lesen: Weniger Kurzarbeit im August

  • Konjunkturerwartungen gehen zurück

    Konjunkturerwartungen gehen zurück

    Zum vierten Mal in Folge haben die ZEW-Konjunkturerwartungen ein Minus verzeichnet. Der Index lag in der September-Umfrage bei 26,5 Punkten nach 40,4 Punkten im Vormonat. Die aktuelle Lage wird jedoch…

    mehr lesen: Konjunkturerwartungen gehen zurück