DNA-Computer rechnet ohne Strom und bricht Tempo-Rekord

Rechenzentren verschlingen Strom in wachsendem Ausmaß. Bis 2050 könnte allein die Datenverarbeitung 20 Prozent des Stromverbrauchs im US-amerikanischen Dienstleistungssektor ausmachen, und die weltweite Nachfrage von Rechenzentren wird sich in den kommenden Jahren voraussichtlich verdoppeln. Ein Forschungsteam der irischen Maynooth University hat nun einen Computer gebaut, der diesem Trend die Chemie des Lebens entgegensetzt: Er rechnet ohne durchgehende Stromversorgung, mit DNA-Strängen in Salzwasser.

Ein Reagenzglas statt eines Prozessors

Klassische Computer speichern und verarbeiten Informationen über Transistoren, die zwischen zwei elektrischen Zuständen wechseln. Jeder Schaltvorgang kostet ein wenig Energie, und bei Milliarden Schaltungen pro Sekunde summiert sich das zu einem erheblichen Verbrauch. Die vier Bausteine der DNA können ebenfalls Informationen codieren, allerdings über eine Konkurrenz unterschiedlicher Molekülsequenzen statt über elektrische Impulse. Das Team um Informatiker Damien Woods vom Hamilton Institute der Maynooth University kombinierte dafür ein längeres DNA-Gerüst mit kurzen DNA-Fragmenten in einer warmen Salzlösung. Beim Abkühlen bildet sich die energetisch günstigste Struktur, und genau diese Struktur liefert das Rechenergebnis. „Die Moleküle interagieren, bilden eine Struktur, und diese Struktur ist die Antwort„, erklärt Woods. „Eine zentrale Neuerung ist, dass das System die Lösung ganz ohne kontinuierliche Energiezufuhr findet.“

Von 30 Sekunden bis 14 Stunden

Die Forscher:innen testeten insgesamt zehn Programme, darunter Berechnungen mit bis zu 100 Bit. Die Additionsaufgabe 3 plus 10 löste das System in rund 30 Sekunden, langsamer als ein Kind mit Papier und Bleistift. Eine Rechnung mit Zahlen zwischen 11 Millionen und 34 Millionen benötigte dagegen bis zu 14 Stunden. Der entscheidende Vorteil liegt jedoch nicht in der Geschwindigkeit einzelner Reaktionen, sondern in der Parallelität: Ein einziger Tropfen Flüssigkeit enthält laut Co-Autorin Abeer Eshra vom Hamilton Institute Milliarden bis Billionen DNA-Stränge, die gleichzeitig miteinander interagieren. „Die Reaktion läuft im Reagenzglas schnell ab, aber nicht annähernd so schnell wie bei Silizium, und das soll sie auch nicht„, sagt Eshra. „Im Vergleich zu anderen DNA-Computern ist unserer jedoch der schnellste.“ Das System erwies sich zudem als robust: Es führte bis zu 25 Berechnungen hintereinander aus, ohne zwischen den Durchläufen manuell nachjustiert werden zu müssen.

Wurzeln in den neunziger Jahren

DNA-Computing ist kein neues Feld. Bereits in den neunziger Jahren löste der Informatiker Leonard Adleman von der University of Southern California das Problem des Handlungsreisenden mit Nukleotidsträngen. Neu am Maynooth-Ansatz ist die Anlehnung an die DNA-Origami-Technik, die stabilere und komplexere Strukturen erlaubt als die einfache Konkurrenz einzelner Stränge in früheren Experimenten. Finanziert wird die Arbeit unter anderem über das DISCO-Projekt, das mit 4 Millionen Euro vom Europäischen Innovationsrat gefördert wird und neue Wege zur Datenspeicherung und Berechnung mit DNA erschließen soll. Woods verweist zusätzlich auf den ökologischen Hintergrund: In Irland fließen bereits 23 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in Computing und Datenspeicherung. Langfristig hoffen die Forscher:innen auf molekulare Systeme, die direkt in Zellen arbeiten und dort etwa Krankheiten erkennen könnten. Ein Gramm DNA kann theoretisch mehrere hundert Millionen Gigabyte an Daten speichern, kombiniert mit einem Rechenprinzip, das ganz ohne Steckdose auskommt. „Das ist Grundlagenforschung im besten Sinne„, sagt Woods. „Wir wissen noch nicht, wohin uns das führen wird.“

via Maynooth University