Je leest:

De DNA computer

De DNA computer

Auteur: | 26 februari 2009

Computers moeten altijd sneller, kleiner en beter. Het biomolecuul DNA wordt getipt als één van de oplossingen voor de toenemende vraag naar betere computers. Maar hoe ziet dat er eigenlijk uit? Huisdier in het stopcontact en chatten maar? Niet helemaal, om DNA-computers te begrijpen moeten we het laboratorium in.

DNA, het erfelijk materiaal in onze cellen, is hot. In 2008 werd het DNA van de Leidse onderzoekster Marjolein Kriek volledig in kaart gebracht. Doktoren gebruiken DNA om het ontstaan van ziektes te voorspellen en in de toekomst mogelijk te bestrijden. Justitie probeert met DNA-onderzoek misdadigers op te sporen.

Ook in de computerwereld is DNA een geliefd studieobject. Door de groeiende vraag naar slimme computers met grote opslagcapaciteit en veel rekenkracht zoekt men naar nieuwe oplossingen. Vooral door de minuscule afmetingen is DNA een interessant bouwmateriaal om een computer mee te maken.

Een DNA computer ziet eruit als een reageerbuis met daarin voor het oog onzichtbare moleculen DNA

Een DNA molecuul heeft een diameter van slechts twee nanometer. Ter vergelijking: een zeepbel is zo’n honderd tot vierhonderd nanometer dik. Voor het bewerken van de zeer kleine DNA moleculen zijn speciale laboratoriumtechnieken nodig. De moleculen worden opgelost in water en vervolgens in een reageerbuis bewaard en bewerkt. Je kunt je een “DNA computer” daarom het best voorstellen als een reageerbuis met een heldere wateroplossing waarin een immense hoeveelheid voor het blote oog onzichtbare DNA moleculen drijven. Goed, geen huisdier dus, maar hoe rekent een reageerbuis dan?

Een DNA molecuul is opgebouwd uit nog kleinere deeltjes, de basen. Er zijn vier soorten basen: adenine, cytosine, thymine en guanine. Deze worden meestal aangeduid als A, C, T en G. De basen liggen in een bepaalde volgorde in het DNA. Een DNA molecuul kan je daarom zien als een rijtje van A’s, C’s, T’s en G’s met een begin en een eindpunt. Onderzoekers realiseerden zich op een gegeven moment dat zo’n rijtje wel heel veel lijkt op een ander bekend rijtje, namelijk het rijtje van enen en nullen waarmee een gewone computer rekent. En daar hebben DNA-computers en onze huidige computers hun raakvlak. In plaats van te rekenen met bits (de nullen en enen in een gewone computer), rekent een DNA computer met A’s, C’s, T’s en G’s.

Om een DNA computer dezelfde berekeningen te laten maken als een traditionele computer worden computeropdrachten eerst opnieuw geformuleerd in een ACTG structuur. Met andere woorden: de nullen en enen moeten A’s, C’s, T’s en G’s worden. Vervolgens worden er manieren gezocht om die berekening uit te voeren. In het laboratorium hebben onderzoekers veel gereedschappen tot hun beschikking om DNA mee te bewerken. Ze kunnen het bijvoorbeeld knippen en plakken, selecteren, opbouwen en vermeerderen (zie kader). Zo kunnen onderzoekers daadwerkelijk rekenen met het DNA.

Elektriciteit versus de kachel

In de huidige computers stuur je elektrische stroompjes door microchips om de computer berekeningen te laten uitvoeren. Een DNA computer stuur je in plaats van stroompjes aan met chemische manipulatiestappen. Door het DNA te verwarmen of door er een enzym aan toe te voegen kunnen de volgorde en de lengte van de rijtjes ACTG’s veranderd worden. Op deze manier worden er berekeningen uitgevoerd.

Een voorbeeld van zo’n manipulatiestap is amplificatie: door een DNA oplossing achtereenvolgens te verwarmen en af te koelen worden de twee strengen van een DNA molecuul gesplitst in twee losse strengen en vervolgens weer samengevoegd. Door dit te doen in een oplossing waarin ook losse ACTG’s rondzwemmen, hechten de vrije A’s, C’s, T’s en G’s zich bij het afkoelen aan de afzonderlijke strengen waardoor er in plaats van een molecuul, twee identieke moleculen worden gevormd. Daar heb je de “copy-paste” functie van je DNA computer.

Dit Engelse Youtube filmpje legt uit hoe DNA verdubbelt met de hulp van enzymen en losse ACTG’s.

600.000 computers

Zowel de huidige computer als een DNA computer maakt dus gebruik van rijtjes waarop bewerkingen gedaan worden. Toch is er ook een fundamenteel verschil in de manier waarop de twee rekenen. Een computerchip (of processor) die de informatie in bits opslaat, maakt berekenstappen met behulp van elektrische stroompjes. Deze berekeningen gebeuren altijd serieel, wat betekent een voor een. Er kunnen wel een aantal processors tegelijk draaien, maar niet te veel. In een reageerbuis daarentegen kan een chemische bewerking ingrijpen op wel triljoenen DNA moleculen tegelijkertijd. Er wordt zogezegd parallel gerekend en dit heeft grote rekenvoordelen. Vooral bij problemen waar er veel mogelijke oplossingen zijn, zoals bij het kraken van een beveiligingscode, geeft parallel rekenen voordelen. Je kunt dan immers meerdere oplossingen tegelijk proberen. Het geschatte aantal instructies dat parallel uitgevoerd kan worden op een DNA computer is 1024. Dit is gelijk aan ruim 600.000 computers die 50 jaar lang een miljard instructies per seconde uitvoeren.

Naast deze rekenvoordelen heeft DNA ook een zeer grote opslagcapaciteit. Een liter water met DNA zou honderd miljoen terabytes aan data kunnen opslaan. Vergelijk dit met onze huidige computers die de 1 terabyte vaak nog niet halen en je begrijpt de hoge verwachtingen die onderzoekers hebben van DNA-computers.

De mogelijkheden van DNA computers zijn haast onvoorstelbaar. Maar gaat het wetenschappers lukken om ze aan de praat te krijgen?

Extreme omstandigheden

Het is gelukt een aantal wiskundige problemen te vertalen naar een ACTG structuur en op te lossen met chemische manipulatiestappen. Zo demonstreerde de hoogleraar Leonard Adleman van de universiteit van Zuid-Californië in 1994 dat hij een variant van het handelsreizigersprobleem kon oplossen met behulp van DNA. Een DNA computer berekende de kortste route waarop een handelsreiziger zeven steden kan bezoeken, waarbij begin- en eindstad vaststaan en hij iedere stad maar een keer mag aandoen.

In 2003 presenteerde een Israëlisch onderzoeksteam onder leiding van Ehud Shapiro een DNA computer die uit een lijst van enen en nullen kan opmaken of er een even aantal nullen is. Een jaar later kwam het team met een nieuwe ontdekking: een DNA computer waarvan het DNA voor zijn eigen energietoevoer zorgt. Eerdere versies maakten als “voedsel” voor het DNA gebruik van de organische stof ATP. Mede door deze ontdekking is een DNA computer extreem zuinig in energieverbruik vergeleken met een traditionele computer.

Uiteraard kleven er ook nadelen aan de nieuwe techniek. Eén daarvan is dat DNA erg gevoelig is voor invloeden van buitenaf: een DNA molecuul kan eenvoudig worden vernietigd door ongunstige omstandigheden als extreme temperaturen of straling. DNA moet dus beschermd worden bewaard. Een creatieve oplossing hiervoor is om DNA te injecteren in een levend organisme dat onder extreme omstandigheden overleeft. Er is onderzoek gedaan met een bacterie genaamd Deinococcus. Deze bacterie is bestand tegen extreme temperaturen en bijvoorbeeld ultraviolette straling. Gevaar is wel dat zodra het organisme sterft, ook de informatie verloren gaat. Om informatiebehoud te verzekeren zal het beestje zich regelmatig moeten vermenigvuldigen om de informatie door te geven. Bij zo’n vermenigvuldiging is het niet uitgesloten dat er mutaties optreden in het aanwezige DNA.

Dat brengt ons op een tweede nadeel van het gebruik van DNA: de onvoorspelbaarheid. Het materiaal en de chemische reacties brengen onzekerheid in het spel. Men kan er nooit honderd procent op vertrouwen dat een bepaalde chemische reactie daadwerkelijk plaats zal vinden. Of moleculen elkaar daadwerkelijk vinden en op de geplande manier met elkaar reageren is niet te voorspellen. Door grote hoeveelheden moleculen te gebruiken zal een fout weinig invloed hebben, maar volledige zekerheid is er nooit.

De bacterie Deinococcus radiodurans. Gaan DNA computers er in de toekomst zo uitzien?

Rekenmachientjes

De belangrijkste reden dat DNA computing nog niet praktisch wordt toegepast is de slechte toegankelijkheid. Hoewel de berekeningen zelf heel snel worden uitgevoerd, kost het praktisch invoeren en uitlezen van informatie uren. Toen in 1996 onderzoekers publiceerden dat het gelukt was een DNA computer de getallen 0 en 1 te laten optellen, moesten zij wel bekennen dat het praktische werk voor de berekening twee dagen in beslag nam. Het zal dus nog wel even duren voordat de rekenmachientjes in de schoolbanken zijn vervangen door reageerbuisjes met DNA.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 februari 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.