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.



  • China steigert Industrieroboter-Absatz

    China steigert Industrieroboter-Absatz

    Weltweit waren die Roboterinstallationen im vergangenen Jahr rückläufig, in China stieg jedoch die Zahl der verkauften Industrieroboter. Für Europa und Nordamerika erwartet die International Federation of Robotics ein starkes Wachstum…

    mehr lesen: China steigert Industrieroboter-Absatz

  • Partnerschaft zwischen AWS und Salesforce

    Partnerschaft zwischen AWS und Salesforce

    Salesforce und AWS wollen ihre jeweiligen Lösungen im Rahmen einer Partnerschaft neu integrieren, so dass Anwender die Lösungen in Kombination nutzen können.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen AWS und Salesforce

  • Positive Aussichten für den Arbeitsmarkt

    Positive Aussichten für den Arbeitsmarkt

    Das IAB-Arbeitsmarktbarometer hat im Juni gegenüber dem Vormonat um 2,7 Punkte auf 107,4 Punkte zugelegt. Der Frühindikator des Instituts für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung erreicht damit den höchsten Stand seit Beginn…

    mehr lesen: Positive Aussichten für den Arbeitsmarkt

  • Paul Repmann wird Manager Sales & Marketing in Chicago

    Paul Repmann wird Manager Sales & Marketing in Chicago

    MPDV will mit Paul Repmann als Manager für Sales & Marketing die Präsenz in Nordamerika stärken.

    mehr lesen: Paul Repmann wird Manager Sales & Marketing in Chicago

  • Exporterwartungen legen zu

    Exporterwartungen legen zu

    Die Exporterwartungen des Ifo Instituts sind im Juni gestiegen, auf den höchsten Wert seit Januar 2011. Nahezu alle Branchen rechnen in der aktuellen Erhebung mit steigenden Exporten.

    mehr lesen: Exporterwartungen legen zu

  • Preisgestaltung oftmals nicht transparent genug

    Preisgestaltung oftmals nicht transparent genug

    Cloud-Produkte sind in den meisten Unternehmen und Branchen etabliert. Details liefert diesbezüglich eine Umfrage der Deutschsprachigen SAP-Anwendergruppe e.V. (DSAG). Zu den Ergebnissen zählt unter anderem, dass die Transparenz der Preisgestaltung…

    mehr lesen: Preisgestaltung oftmals nicht transparent genug

  • Partnerschaft zwischen Photocentric und CoreTechnologie

    Partnerschaft zwischen Photocentric und CoreTechnologie

    Im Rahmen einer Partnerschaft wollen der Softwareanbieter CoreTechnologie und der Druckmaschinenhersteller Photocentric gemeinsame Lösungen anbieten.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen Photocentric und CoreTechnologie

  • Personelle Veränderungen bei Robert Bosch

    Personelle Veränderungen bei Robert Bosch

    Zum Jahreswechsel kommt es bei der Robert Bosch GmbH zu einigen personellen Veränderungen. U.a. verabschiedet sich Aufsichtsratschef Franz Fehrenbach in den Ruhestand.

    mehr lesen: Personelle Veränderungen bei Robert Bosch

  • Transition Technologies PSC eröffnet deutsche Niederlassung

    Transition Technologies PSC eröffnet deutsche Niederlassung

    Transition Technologies PSC eröffnet als Spezialist im Bereich der digitalen Transformation einen Firmensitz in Deutschland. Die Leitung übernimmt Stefan Zeiler.

    mehr lesen: Transition Technologies PSC eröffnet deutsche Niederlassung

  • Karten spielen und Werkzeug- und Formenbau lernen

    Karten spielen und Werkzeug- und Formenbau lernen

    Studierende und Auszubildende im Bereich Werkzeug- und Formenbau lernen mit einem Kartenspiel spielerisch die Grundlagen ihres Fachs.

    mehr lesen: Karten spielen und Werkzeug- und Formenbau lernen

  • Partnerschaft zwischen Senseye und PTC

    Partnerschaft zwischen Senseye und PTC

    Im Zuge einer Partnerschaft zwischen Senseye und PTC soll die Predictive Maintenance-Lösung von Senseye über die PTC IIoT-Plattform ThingWorx zur Verfügung stehen.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen Senseye und PTC

  • Manipulation durch Microsoft-signierte Malware

    Manipulation durch Microsoft-signierte Malware

    Eine als Netzwerktreiber getarnte Schadesoftware ermöglicht Hackern die Manipulation des Datenverkehrs. Dabei trägt die Schadsoftware ein gültiges Microsoft-Zertifikat.

    mehr lesen: Manipulation durch Microsoft-signierte Malware