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.



  • BSI eröffnet Stützpunkt in Saarbrücken

    BSI eröffnet Stützpunkt in Saarbrücken

    Am neuen BSI-Stützpunkt in Saarbrücken will das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik gemeinsam mit anderen Forschungseinrichtung seine Arbeit im Bereich künstliche Intelligenz ausbauen.

    mehr lesen: BSI eröffnet Stützpunkt in Saarbrücken

  • Kaspersky schickt Führungskräfte in virtuelles Kraftwerk

    Kaspersky schickt Führungskräfte in virtuelles Kraftwerk

    Mit einer VR-Version seines Simulationsspiels Interactive Protection Simulation will Kaspersky Führungskräften Knowhow darüber vermitteln, welchen Einfluss Entscheidungen auf die Cybersicherheit haben können.

    mehr lesen: Kaspersky schickt Führungskräfte in virtuelles Kraftwerk

  • Matthias Haas ist neuer Geschäftsführer bei Igel

    Matthias Haas ist neuer Geschäftsführer bei Igel

    Gemeinsam mit CEO Jed Ayres leitet CTO Matthias Haas zukünftig die Geschicke der Igel Technology GmbH.

    mehr lesen: Matthias Haas ist neuer Geschäftsführer bei Igel

  • AutoID-Märkte stehen wieder besser da

    AutoID-Märkte stehen wieder besser da

    Der Industrieverband AIM-D befragt seine Mitglieder halbjährlich nach ihrer Sicht auf die allgemeine Geschäfts- und Marktentwicklung sowie die Entwicklung der AutoID-Märkte. In der aktuellen Umfrage schlägt erneut die Pandemie zu…

    mehr lesen: AutoID-Märkte stehen wieder besser da

  • Sales-Transformation schreitet nur langsam voran

    Sales-Transformation schreitet nur langsam voran

    Trotz steigender Kundenerwartungen an ein digitales Einkaufserlebnis sind Industrieunternehmen bei der Umsetzung oft zurückhaltend. Laut einer Accenture-Studie planen nur etwa 14 Prozent der deutschen Unternehmen, ihre digitalen Vertriebsfähigkeiten innerhalb der…

    mehr lesen: Sales-Transformation schreitet nur langsam voran

  • Produktionserwartungen sinken, bleiben aber auf hohem Niveau

    Produktionserwartungen sinken, bleiben aber auf hohem Niveau

    Die Produktionserwartungen der deutschen Industrie haben sich auf hohem Niveau etwas verschlechtert. Der Indikator sank im Mai auf 27 Punkte, nach 32 im April. Das geht aus der aktuellen Konjunkturumfrage…

    mehr lesen: Produktionserwartungen sinken, bleiben aber auf hohem Niveau

  • Videoschulung für Fach- und Führungskräfte

    Videoschulung für Fach- und Führungskräfte

    Um Fach- und Führungskräften aus dem produzierenden Gewerbe eine fundierte Grundlage in Sachen künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) zu vermitteln, stellen die Fraunhofer Institute IOSB und ICT sowie…

    mehr lesen: Videoschulung für Fach- und Führungskräfte

  • Pandemie erhöht den Druck auf IT-Architekten

    Pandemie erhöht den Druck auf IT-Architekten

    Eine Umfrage von Couchbase, einem Plattform-Anbieter für Datenmanagement, zeigt, dass IT-Architekten während der Corona-Pandemie mehr als dreimal so stark unter Druck stehen wie vorher. Die Ursachen dafür liegen laut Studie…

    mehr lesen: Pandemie erhöht den Druck auf IT-Architekten

  • Neue Partner für das MIP-Ökosystem

    Neue Partner für das MIP-Ökosystem

    Das MIP-Ökosystem von MPDV wächst. Der MES-Anbieter begrüßte in den vergangenen Monaten fünf neue Partner, die u.a. auf künstliche Intelligenz (KI) setzen.

    mehr lesen: Neue Partner für das MIP-Ökosystem

  • Druckbolzen in Stanzerei-Großwerkzeugen

    Druckbolzen in Stanzerei-Großwerkzeugen

    Die im Mai 2021 herausgegebene Richtlinie VDI 3002 ‚Druckbolzen in Stanzerei-Großwerkzeugen‘ liefert Empfehlungen zur Verwendung und Ausführung von Druckbolzen zur Kraftübertragung in Stanzerei-Großwerkzeugen.

    mehr lesen: Druckbolzen in Stanzerei-Großwerkzeugen

  • Hilfestellung für das Anlagen-Engineering

    Hilfestellung für das Anlagen-Engineering

    Die Richtlinienreihe VDI/VDE 3695 ‚Engineering von Anlagen – Evaluieren und Optimieren des Engineerings‘ dient als Hilfestellung für Engineering-Organisationen und unterstützt sie dabei, Maßnahmen zur Weiterentwicklung zu identifizieren und auszuwählen. Die…

    mehr lesen: Hilfestellung für das Anlagen-Engineering

  • Paessler und Rhebo arbeiten zusammen

    Paessler und Rhebo arbeiten zusammen

    Der Netzwerk-Monitoring-Spezialist Paessler und Rhebo, Experte für Industrial Monitoring, wollen künftig zusammen arbeiten. Ziel ist es, Unternehmen ein Rundum-Monitoring ihrer IT- und OT-Umgebungen zu ermöglichen.

    mehr lesen: Paessler und Rhebo arbeiten zusammen