DNA en computers hebben meer overeenkomsten dan menigeen denken.
Start jij de DNA-computer even op? Je hoort het jezelf nog niet zeggen, maar wetenschappers zijn al sinds de jaren negentig bezig om DNA zo te manipuleren dat je er berekeningen mee kunt uitvoeren.
Computeren met DNA is zeker niet vergezocht, mocht je dat denken. Ga maar na, een gram DNA bevat net zoveel informatie als een miljard(!) cd’s bij elkaar. En het feit dat leven bestaat – en evolueert – bewijst dat deze informatie uit DNA doorlopend opgeslagen, gekopieerd, bewerkt en afgelezen kan worden.
Eigenlijk hebben we gewoon de bouwstenen voor een ‘computer’ in ons lichaam. De vraag is of wij zelf ook zo’n computer van DNA kunnen bouwen.
Computerwetenschapper Leonard Adleman zette in 1994 de eerste belangrijke stap in de ontwikkeling van zo’n computer door te bewijzen dat je met DNA berekeningen kunt doen. De droom van een revolutionaire ‘DNA-computer’ hield sindsdien vele wetenschappers in hun greep. Zulke computers zouden vele malen kleiner zijn dan de huidige pc’s (vanwege de minuscule afmetingen van DNA-moleculen) en tegelijkertijd veel meer opslag en rekenkracht hebben. Maar toen bleek dat de van DNA gemaakte bouwsels vooral traag, foutgevoelig en kleinschalig bleven, vervaagde de droom langzamerhand. Zou het ons ooit lukken?
Leonard Adleman. Afbeelding: © Wikimedia Commons
De uitvinder van de DNA-computer
Leonard Adleman (University of South Carolina, VS) was in 1994 de eerste die bewees dat je kunt rekenen met DNA. Hij beschreef een manier om met DNA-strengen het zogeheten Handelsreizigersprobleem – een bekend probleem uit de computerwetenschap – op te lossen. In dit probleem is het de bedoeling de kortste route tussen een aantal steden te vinden. Adleman vertaalde het probleem naar chemische reacties met DNA.
Steden werden voorgesteld door enkele strengen DNA, waarbij iedere stad zijn unieke volgorde had van de basenparen A,C,T en G. Deze DNA-strengen werden bij elkaar in een reageerbuis gestopt. Strengen die aan elkaar koppelden, stelden een mogelijke route tussen twee steden voor. Binnen enkele seconden werden alle mogelijke combinaties van DNA-strengen in de buis gevormd, waarna Adleman met chemische reacties de ‘foute’ combinaties verwijderde. De overgebleven dubbelstrengen vormden de oplossing. De eerste echte DNA-computer was een feit.
DNA-computer = reageerbuis
Even voor de duidelijkheid: bij een DNA-computer moet je je iets heel anders voorstellen dan je gewend bent van een ‘gewone’ computer. Geen beeldscherm of zoemende systeemkast; een DNA-computer is niets meer dan een waterige oplossing in een reageerbuis waar onzichtbare DNA-moleculen in rondzweven. Toch is wat er in die buis gebeurt goed te vergelijken met de werking van ‘gewone’ computers.
Een DNA-computer ziet eruit als een reageerbuis met daarin rondzwevende DNA-moleculen.
Zijn het in computers elektronen die het signaal vormen, hier zijn het moleculen (bijvoorbeeld DNA, RNA of enzymen). De moleculen worden door chemische reacties bewerkt, zodat er uiteindelijk andere moleculen (signalen) overblijven. Welke reacties er precies plaatsvinden hebben wetenschappers in de hand door de structuur van DNA-strengen te bepalen die de reacties aangaan. De combinatie van moleculen en chemische reacties noemt men een biochemisch circuit, vergelijkbaar met het elektrisch circuit op een computerchip.
Een diagram van het circuit waarmee de onderzoekers de wortel konden trekken uit getallen onder de 15. Afbeelding: © Caltech / Lulu Qian
Opschalen
Tot nu toe zijn de gemaakte biochemische circuits vrij klein, slechts in staat tot een klein aantal bewerkingen. Maar daar lijkt verandering in te komen dankzij Lulu Qian en Erik Winfree van de California Institute of Technology (Caltech). In het vakblad Science presenteerden ze het grootste biochemische circuit ooit, bestaande uit 130 verschillende DNA-moleculen. Dat is vijf keer groter dan tot nu toe was gelukt. De werking van het circuit demonstreerden ze door de wortel te trekken uit getallen onder de 15.
De echte doorbraak schuilt in het ontwerp van het circuit. De onderzoekers hebben met stukjes DNA zogenaamde logische poorten ontworpen, vergelijkbaar met de schakelingen die op computerchips een elektrisch circuit vormen. DNA-moleculen vormen ook de input- en outputsignalen.
Juist door deze opzet is het mogelijk om het circuit op te schalen naar nóg grotere formaten. Tot nu toe werden DNA-computers altijd specifiek ontworpen voor één soort bewerking, zodat je er nooit iets anders mee kon uitrekenen. Het ontwerp van Qian en Winfree is meer een soort toolkit waarmee je een circuit kunt bouwen. Dat ze er de wortel mee konden trekken van getallen moet dan ook vooral gezien worden als een demonstratie van de mogelijkheden en niet zozeer als een doel op zich.
In dit (Engelstalige) filmpje wordt uitgelegd hoe deze DNA-computer in detail werkt. Zo zie je hoe de stukjes DNA logische poorten vormen en hoe andere DNA-moleculen hieraan kunnen binden. Het netwerk van logische poorten en moleculen kan tot in detail geregisseerd worden door de onderzoekers.
Zevenmijlsstap
De onderzoekers zien in hun ontwerp een soort compiler voor DNA-computers. In gewone computers vertaalt de compiler de invoertaal van de programmeur naar instructies die de computer uitvoert. Net zo kunnen DNA-programmeurs nu een circuit ontwerpen, waarna de compiler dit vertaalt naar de benodigde DNA-structuren. Het kan gezien worden als een zevenmijlsstap in de ontwikkeling van DNA-computers, en er wordt dan ook vol lof gereageerd door het vakgebied.
Op ons bureau zullen we waarschijnlijk nooit een DNA-computer vinden, maar wie weet hebben we er straks een paar in ons lichaam?
Toch heeft het systeem ook zijn beperkingen, met de snelheid van de berekeningen als de voornaamste. Het systeem is bijzonder traag: voor het berekenen van de wortel had het ding ruim tien uur nodig. En signalen kunnen slechts één kant op bewegen in het circuit, wat het opslaan van gegevens onmogelijk maakt. Dus hoe indrukwekkend het ook is, een revolutie in computeren zien we niet snel gebeuren.
Deze vinding illustreert dan ook vooral de nieuwe richting die DNA-computers ingeslagen zijn. Het doel is niet langer om de strijd aan te gaan met siliciumcomputers. In plaats daarvan moeten DNA-computers daar worden ingezet waar ze goed in zijn: het verwerken van informatie in organismen. Doel is nu om systemen te maken die met cellen kunnen communiceren, ziekteverwekkers herkennen en medicijnen afgeven die ziektes bestrijden. En hoewel er nog een lange weg te gaan is, lijkt dit doel een stuk realistischer.
Bronnen:
- L.M. Adleman, Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems, Science (november 1994)
DOI: 10.1126/science.7973651
Lees meer over DNA-computers op Kennislink:
"
