DNA Inside

We kennen er allemaal wel een: een computer-nerd in het bedrijf die u wil imponeren met de capaciteit van zijn processor. Zielige freudiaan. De nieuwe DNA-computers maken van siliciumchips een relikwie van voor de Verlichting.

Het menselijk genoomproject heeft ons er nog maar eens aan herinnerd dat de genetische scheikundige stof DNA ( desoxyribonucleïnezuur) een ongelooflijk grote hoeveelheid informatie kan opslaan. De microscopisch kleine kernen van elke cel in ons lichaam bevatten de gecodeerde instructies om een complete mens samen te stellen. Computerwetenschappers trachten nu de natuur te imiteren en een volledig nieuwe vorm van informatietechnologie op te bouwen rond het DNA.

De belofte die DNA-computing inhoudt, schuilt in de eerste plaats in het vermogen van individuele moleculen om gegevens veel doeltreffender op te slaan dan siliciumchips of andere elektronische geheugendragers dat kunnen. In principe kan een milligram DNA evenveel informatie bevatten als 1 miljoen cd’s. Het biedt bovendien het summum aan parallelle verwerking, met biljoenen gelijktijdige berekeningen.

DNA-computing, als onderzoeksdomein, ontstond amper zes jaar geleden, toen Leonard Adleman van de University of Southern California de wereld van de computerwetenschappen met verstomming sloeg door een specifiek wiskundig probleem op te lossen in een testbuis vol DNA. Tot dan hadden de meeste wetenschapslui zo’n computer, die gegevens verwerkt in de vorm van moleculen eerder dan van elektrische ladingen, als een interessant theoretisch concept beschouwd waarvan echter de praktische veraanschouwelijking nog verscheidene decennia op zich zou laten wachten.

Professor Adleman geniet als onderzoeker groot aanzien. Hij vond het coderingssysteem uit dat op dit ogenblik wordt gebruikt voor internetcommunicaties en zijn rapport heeft tientallen laboratoria in de hele wereld aangepord om onderzoekingen op te starten. Vandaag beschouwen heel wat wetenschapslui DNA-computing als een koploper onder de technologieën die wellicht zullen worden ingevoerd als de klassieke elektronica de fysische grenzen van de miniaturisatie bereikt, ergens na het jaar 2020.

Dit jaar hebben wetenschappers aan de universiteit van Wisconsin in Madison een belangrijke stap gezet naar de vereenvoudiging en verbetering van de technologie. Vertrekkend van de proefbuisexperimenten uitgevoerd door professor Adleman en andere pioniers, hebben ze DNA-strengen verankerd op een met goud bekleed glasplaatje, een soort DNA-chip.

Andere onderzoekers

willen DNA-computing terugvoeren naar levende cellen. In Groot-Brittannië is Martin Amos van de universiteit van Liverpool – die zijn activiteiten verlegde naar DNA-computing vanaf het ogenblik dat hij Adlemans artikel had gelezen in het magazine Science – een project aan het opstarten, samen met collega’s van Warwick University, om de circuits van wiskundige logica binnen een computer te simuleren in genetisch gemanipuleerde cellen. Ze willen binnen de drie jaar kunnen aantonen dat eenvoudige bestanddelen, zoals ‘EN’- en ‘OF’-poorten, kunnen worden ingebracht in bacteriële cellen.

“We zijn nog ver verwijderd van de creatie van intelligente cellen,” zegt Amos, “maar we zouden graag eenvoudige vormen van beslissingsvermogen inbrengen in bacteriën. Het is mogelijk dat dergelijke cellen nuttige, door de mens gedefinieerde taken kunnen uitvoeren in bijvoorbeeld de biotechnologie.” Alle mogelijke toepassingen van DNA-computing – of ze nu in-vitro of in-vivo zijn – dienen in deze aanvangsfase van de ontwikkeling van dit onderzoeksdomein nog louter als speculatief te worden beschouwd. Men zou zich een ultrakleine DNA-computer kunnen voorstellen die alle kennis van de wereld bevat, of cellen die werden geprogrammeerd om in aders te patrouilleren en vetafzettingen te verwijderen voor ze een hartziekte kunnen veroorzaken. Maar er liggen allicht nog tientallen jaren werk voor de boeg om alle hinderpalen, gaande van softwareontwikkeling tot de efficiënte invoer en uitvoer van gegevens, uit de weg te schuiven.

Adlemans oorspronkelijke demonstratie loste een vrij eenvoudige versie op van het wiskundig probleem van de handelsreiziger: de kortste weg vinden tussen zeven steden die met elkaar zijn verbonden door veertien eenrichtingswegen zonder op zijn stappen terug te keren. Hij maakte een aparte streng DNA aan om elk van de steden en de tussenliggende wegen voor te stellen. Daarbij gaf hij de sequenties een code mee, zodat de ‘ sticky ends‘ van elke weg-streng zich zouden verbinden met de twee toepasselijke stads-strengen volgens de chemische regels van de DNA-verbinding. Daarna mengde hij miljarden kopieën van elke streng in een proefbuis. Die koppelden zich vervolgens aan elkaar in talloze mogelijke combinaties, maar Adleman slaagde erin om de enige oplossing tot het vraagstuk eruit te halen – namelijk de kortste DNA-molecule die elke stadssequentie slechts één keer bevatte – door een week lang reeksen van biochemische reacties uit te voeren.

Sindsdien hebben DNA-computers zich aan een hele reeks meer complexe wiskundige vraagstukken gezet. Zo losten eerder dit jaar Laura Landweber en haar collega’s aan de Princeton University het paardensprongprobleem uit het schaken op: al de verschillende posities vinden waarop paarden op een schaakbord kunnen worden geplaatst zonder dat ze elkaar kunnen aanvallen.

Dat zijn allemaal opdrachten die veel en veel sneller kunnen worden opgelost met conventionele computers. Maar als DNA-computing kan worden opgetrokken met een factor 1000 miljard, wat volgens Lloyd Smith van de universiteit van Wisconsin binnen enkele jaren gehaald kan worden, dan openen zich een heleboel nieuwe mogelijkheden, bijvoorbeeld: verborgen patronen terugvinden in hoeveelheden gegevens die een elektronische supercomputer zouden doen verzuipen.

De hedendaagse, primitieve DNA-computers gebruiken strengen DNA om verschillende variabelen voor te stellen. Dergelijke “combinatorische berekeningen” verlopen onvermijdelijk traag. In tegenstelling tot de natuur maken ze ook geen gebruik van de volledige informatieopslagcapaciteit van het DNA. Daarvoor is een toestel op nanoschaal nodig om de individuele letters van de genetische code te lezen, maar dat is in de huidige stand van de technologie onmogelijk.

Intussen voeren de wetenschapslui onderzoek uit naar andere eigenschappen van het DNA die zouden kunnen worden aangewend, niet alleen om informatie op te slaan maar ook om andere bestanddelen van een computercircuit te vormen. Eén daarvan is zelfassemblage, het vermogen van complementaire DNA-moleculen om elkaar te herkennen en zich in een verbinding aan elkaar te koppelen. Een andere is het vermogen van DNA-strengen om elektriciteit te geleiden, net als microscopisch kleine kabeltjes.

“Het is wellicht mogelijk om selectieve zelfassemblage en moleculaire herkenning aan te wenden om DNA-schakelingen te produceren,” zegt Giles Davies, die aan de universiteit van Cambridge een project aan het opstarten is om het huidige stroomdragend vermogen van DNA-strengen met verschillende chemische sequenties na te gaan.

Eén van de gevolgen van de ontwikkeling van een nieuwe computertechnologie gebaseerd op biologische moleculen is dat zij meer compatibel met het menselijk lichaam kan worden dan voorwerpen uit silicium. Men kan zich gemakkelijk voorstellen dat op DNA gebaseerde implantaten een geneesmiddel zouden afleveren als respons op de gezondheidstoestand van de patiënt. Iets meer vergezocht, maar niet noodzakelijk onmogelijk, is het sciencefictionscenario waarbij op DNA stoelende artificiële intelligentie wordt ingeplant in het brein.

Copyright: Financial Times.

clive cookson