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.



  • Bechtle erwirbt Open Networks

    Bechtle erwirbt Open Networks

    Der österreichische Ableger von Bechtle hat Open Networks erworben. Die neuen Spezialisten bringen insbesondere Erfahrung in den Bereichen Application Services, Datacenter, Security und Netzwerk mit. Die Firma betreut rund 250…

    mehr lesen: Bechtle erwirbt Open Networks

  • Wie Firmen Innovationspotenzial freisetzen

    Wie Firmen Innovationspotenzial freisetzen

    Viele Konzepte etwa für Modern Workplaces und Digitalisierung hinterfragen Unternehmenskonzepte, die auf traditionelle Strukturen und Hierarchien setzen. Robert Lindner, Senior Regional Director & Country Manager Germany bei Red Hat, hat…

    mehr lesen: Wie Firmen Innovationspotenzial freisetzen

  • Blue Yonder gehört jetzt Panasonic

    Blue Yonder gehört jetzt Panasonic

    Panasonic hat sämtliche Unternehmensanteile des IT-Plattformanbieters Blue Yonder erworben. Der Kauf ist Teil der Konzern-Strategie, einzelne Geschäftsfelder zu stärken. Blue Yonder bewertet die Investition mit 8,5 Milliarden US-Dollar.

    mehr lesen: Blue Yonder gehört jetzt Panasonic

  • Maschinenbauern gehen Komponenten aus

    Maschinenbauern gehen Komponenten aus

    Die Auftragsbücher im Maschinen- und Anlagenbau füllen sich, aber immer mehr Firmen verzeichnen Engpässe in ihren Lieferketten. Auch der Fachkräftemangel wird vermehrt zum Problem. Zu diesen Erkenntnissen kommt der VDMA…

    mehr lesen: Maschinenbauern gehen Komponenten aus

  • 25 Prozent der Firmen planen höhere Investitionen

    25 Prozent der Firmen planen höhere Investitionen

    Erwartungen an die Post-Covid-Zeit 25 Prozent der Firmen planen höhere Investitionen 70 Prozent der Fertigungsunternehmen rechnen mit einem Wachstum ihrer Branche, gaben die Teilnehmer in einer Umfrage von CBAF an.…

    mehr lesen: 25 Prozent der Firmen planen höhere Investitionen

  • Cyberangriffsrisiko reduzieren

    Cyberangriffsrisiko reduzieren

    Bei sechs von zehn (63%) Cyberangriffen, die vom Kaspersky Global Emergency Response Team untersucht wurden, setzen die Angreifer Brute-Force-Methoden ein und nutzen Schwachstellen aus, um die IT-Systeme eines Unternehmens zu…

    mehr lesen: Cyberangriffsrisiko reduzieren

  • Phishing-Mails verursachen die höchsten Schäden

    Phishing-Mails verursachen die höchsten Schäden

    Schreiende Kinder, ungewohntes Arbeitsumfeld und schlechte Büroausstattung: Das Arbeiten im Homeoffice ist nicht für alle Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer nur angenehm.

    mehr lesen: Phishing-Mails verursachen die höchsten Schäden

  • Endpoint-Schutz bei Offline-Systemen

    Endpoint-Schutz bei Offline-Systemen

    In Teilen der IT-Welt dominiert die Meinung, dass einige Systeme keinen Endpoint-Schutz benötigen. Diese Einschätzung ist häufig für solche Geräte anzutreffen, die isoliert und nicht mit dem Internet verbunden sind…

    mehr lesen: Endpoint-Schutz bei Offline-Systemen

  • Top Malware im August 2021

    Top Malware im August 2021

    Check Point Research hat den Global Threat Index für August 2021 veröffentlicht. Formbook ist nun die am weitesten verbreitete Malware in Deutschland.

    mehr lesen: Top Malware im August 2021

  • Oberflächentechnik und IT in der Zulieferindustrie

    Oberflächentechnik und IT in der Zulieferindustrie

    Die 16. FMB – Zuliefermesse Maschinenbau findet vom 10. bis 12. November 2021 im Messezentrum Bad Salzuflen statt. Zu den Topthemen kürte Veranstalter Easyfairs die Oberflächentechnik und Digitalisierung.

    mehr lesen: Oberflächentechnik und IT in der Zulieferindustrie

  • Koexistenzmanagement von Funksystemen

    Koexistenzmanagement von Funksystemen

    Im September 2021 erscheint die Richtlinie VDI/VDE 2185 Blatt 2 ‚Funkgestützte Kommunikation in der Automatisierungstechnik – Koexistenzmanagement von Funksystemen‘. Wenn unterschiedliche Funksysteme bei Automatisierungsaufgaben unterstützen, ist mit einer gegenseitigen Beeinflussung…

    mehr lesen: Koexistenzmanagement von Funksystemen

  • Unternehmen zweifeln an Ransomware-Resilienz

    Unternehmen zweifeln an Ransomware-Resilienz

    Unternehmen verwalten heute mehr als zehn Mal so große Datenmengen wie noch vor fünf Jahren. Dabei befürchteten 62 % der Befragten in einer aktuellen Untersuchung von Dell Technologies, ihre Maßnahmen…

    mehr lesen: Unternehmen zweifeln an Ransomware-Resilienz