Der Bio-Rechner

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Nichts hat unsere Welt so verändert wie der Computer. Und der folgt seit seinen Ursprüngen in der Mitte des 20. Jahrhunderts den gleichen Funktionsprinzipien. Ein neuartiger, „biologischer“ Ansatz könnte allerdings in Bereichen Lösungen liefern, wo sich herkömmliche Rechner ihre Silizium-Zähnchen ausbeißen.

Eines nach dem anderen – so arbeitet die Mehrzahl der Computer. Der sequentielle Aufbau der sogenannten Von-Neumann-Architektur hat es weit gebracht. Bei kombinatorischen Problemen wie Schaltkreisoptimierung, Proteindesign oder Routenplanung ist er jedoch schon bei relativ kleinen Problemen überfordert. Denn da steigt die Zahl der nötigen Berechnungen exponentiell mit der Größe des zu lösenden Problems.

Bio-Rechner mit Nano -Netz

Paralleles Computing kann solchen Aufgaben prinzipiell Herr werden, allerdings hat es noch keine der bislang entwickelten Methoden zur Anwendungsreife gebracht. Der neue „Bio-Ansatz“ kombiniert nun etablierte Nano -Fertigungsmethoden mit den biomolekularen Motoren unserer Zellen. Die sind die eigentlichen Arbeitstiere in unserem Körper. Sie sorgen für die Kontraktion von Muskeln und transportieren Komponenten kreuz und quer durch die Zelle. Dazu wandeln sie chemische Energie direkt in mechanische Arbeit um – ohne den Umweg über Wärme oder Elektrizität. Diese Eigenschaften machen sie auch für die Nano -Technologie interessant – etwa als molekulare Roboter außerhalb der Zelle in künstlicher Umgebung.

Der neue „Bio-Rechner“, entwickelt von Forschern der TU Dresden und des Max-Planck-Institutes für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Kollaboration mit internationalen Partnern, löste bereits ein erstes kombinatorisches Problem. Dieses wurde dazu zuerst mathematisch in ein geometrisches Netzwerk übersetzt und dann in Form von Nanokanälen mit Hilfe von Lithographie – einer herkömmlichen Methode zur Herstellung von Siliziumchips – auf ein Trägersubstrat übertragen.

Im Betrieb durchlaufen das Netzwerk – angetrieben von biomolekularen Motoren – fadenförmige Zellstrukturen (Filamente). Die Kreuzungen zwischen den Kanälen sind so konstruiert, dass die Filamente alle möglichen Lösungen des Problems finden. So entsteht ein „intelligentes“ Netz, das mit biomolekularen Motoren grundlegende Rechenaufgaben löst.

Bio Rechner

Schema einer "Verteilungskreuzung". Protein-Filamente (rot), angetrieben von Molekularmotoren (grün), treffen an einer Verteilungskreuzung ein, wo sie eine Rechenoperation ausführen (Fünf addieren oder Null addieren). (Bild: TU Dresden).