DNA-strengen hebben een veel grotere capaciteit dan siliciumchips voor de opslag van informatie of het maken van berekeningen. Clive Cookson bekijkt de ontmoetingsplaats van biologie en elektronica.

Zoals het Human Genome Project nog eens duidelijk stelde, bezit het menselijk DNA een enorme capaciteit om informatie op te slaan. De microscopische kern van elke cel in ons lichaam bevat de gecodeerde instructies om een volledige mens te maken. Computerwetenschappers proberen nu de natuur te imiteren en een volledige informatietechnologie te creëren rond DNA.

Het voordeel van een DNA-computertechnologie ligt in eerste instantie in het feit dat individuele moleculen veel efficiënter gegevens kunnen stockeren dan siliciumchips of andere elektronische geheugens. In principe kan een milligram DNA evenveel gegevens bevatten als één miljoen cd's. Die technologie biedt ook enorme mogelijkheden op het vlak van parallelle bewerkingen. Er vinden biljoenen berekeningen plaats op hetzelfde moment.

Als onderzoeksdomein ontstond de DNA-computertechnologie pas zes jaar geleden. Toen verbaasde Leonard Adleman van de universiteit van Zuid-Californië de computerwetenschappers door een bepaald wiskundig probleem op te lossen in een proefbuis met DNA. Tot dan beschouwden de meeste wetenschappers een dergelijke computer, die gegevens verwerkt via moleculen in plaats van elektrische ladingen, als een interessant theoretisch concept dat pas over enkele decennia in de praktijk zou worden getest.

Professor Adleman is een gerespecteerde onderzoeker die het coderingssysteem uitvond dat momenteel wordt gebruikt voor de communicatie via het Internet. Zijn rapport spoorde een tiental laboratoria over de hele wereld aan om met onderzoek te beginnen. Vandaag beschouwen vele wetenschappers de DNA-technologie als de belangrijkste kandidaat om de klassieke elektronica te vervangen als die na 2020 de fysieke grenzen van de miniaturisering bereikt. Dit jaar zetten wetenschappers van de universiteit van Wisconsin een belangrijke stap naar een vereenvoudiging en een uitbreiding van de technologie. Ze stapten af van de experimenten met proefbuizen die prof. Adleman en andere pioniers deden en ze verankerden slierten DNA op een vergulde glazen plaat -- een soort DNA-chip.

Andere onderzoekers willen de DNA-technologie terugbrengen naar levende cellen. In Groot-Brittannië begon Martyn Amos van de universiteit van Liverpool met de DNA-technologie zodra ze het rapport van Adleman las in het vakblad Science. Samen met enkele collega's begint ze aan de Warwick University met een project om de mathematisch logische circuits van een computer te simuleren in genetisch gewijzigde cellen. Ze willen binnen drie jaar aantonen dat ze eenvoudige componenten, zoals schakelingen met EN en OF, kunnen creëren in bacteriële cellen.

,,We staan nog ver van de ontwikkeling van 'intelligente cellen''', zegt Martyn Amos. ,,Maar we willen bacteriën uitrusten zodat ze eenvoudige beslissingen kunnen nemen. Dergelijke cellen kunnen nuttige taken uitvoeren die de mens bepaalt. Bijvoorbeeld in de biotechnologische industrie.''

Alle mogelijke toepassingen van de DNA-technologie, in vitro of in vivo, moeten als zuiver speculatief worden beschouwd want het onderzoek in dit domein staat nog in de kinderschoenen. Je kan je een ultra-kleine DNA-computer voorstellen die toegang geeft tot alle wereldlijke kennis of cellen die geprogrammeerd zijn om in de bloedvaten te patrouilleren en vet te verwijderen om zo hartkwalen te voorkomen.

Maar er zal nog decennialang onderzoek nodig zijn om hindernissen te overwinnen zoals de ontwikkeling van software en de efficiënte input en output van gegevens.

Bij zijn eerste demonstratie loste professor Adleman een vrij eenvoudige versie van het wiskundig ,,vraagstuk van de handelsreiziger'' op: zoek de kortste weg tussen zeven steden die verbonden zijn met 14 eenrichtingswegen zonder op je stappen terug te keren.

Hij maakte een afzonderlijke DNA-streng voor elk van de zeven steden en de 14 wegen tussen de steden. Dan mengde hij miljarden kopieën van elke streng in een proefbuis. Zij vormden een doolhof van mogelijke combinaties maar hij slaagde erin de enige goede oplossing van het probleem eruit te halen -- de kortste DNA-molecule die maar een keer de sequentie bevat voor elke stad. Daarvoor voerde hij een week lang biochemische reacties uit.

Sindsdien pakten DNA-computers andere en meer complexe mathematische vraagstukken aan. Dit jaar bijvoorbeeld losten Laura Landweber en haar collega's van de Princeton University ,,het vraagstuk van het paard'' in het schaken op: zoek de verschillende posities waar de paarden kunnen staan op het schaakbord zonder dat ze elkaar kunnen aanvallen.

Dat zijn opdrachten die conventionele computers veel sneller kunnen uitvoeren. Maar als de DNA-technologie over enkele jaren veel sneller wordt, zoals Lloyd Smith van de universiteit van Wisconsin voorspelt, bieden er zich nieuwe mogelijkheden aan. Dan kunnen er bijvoorbeeld patronen worden gevonden in een hoeveelheid gegevens die zo groot is dat een elektronische supercomputer het zou begeven.

^

De huidige primitieve DNA-computers gebruiken strengen van DNA om verschillende variabelen weer te geven. Deze ,,combinatorische berekeningen'' zijn onvermijdelijk traag. In tegenstelling tot de natuur, gebruiken ze niet de volledige opslagcapaciteit van DNA. Daarvoor is een zeer klein apparaat nodig om de afzonderlijke letters van de genetische code te lezen en dat is onmogelijk met de huidige technologie.

Ondertussen onderzoeken wetenschappers andere eigenschappen van DNA die niet alleen kunnen worden gebruikt om gegevens op te slaan maar ook om andere componenten van een computercircuit te vormen. Een daarvan is zelf-samenvoeging: de eigenschap van complementaire DNA-moleculen om elkaar te herkennen en zich samen te voegen tot een verbinding. Een andere eigenschap van DNA-strengen is dat ze elektriciteit kunnen geleiden, zoals microscopische elektriciteitsdraden.

,,Misschien is het mogelijk om de selectieve zelf-samenvoeging en de moleculaire herkenning te gebruiken om DNA-circuits te vormen'', zegt Giles Davies. Hij gaat op de universiteit van Cambridge van start met een onderzoek naar de stroomgeleiding van DNA-strengen met verschillende chemische sequenties.

Een nieuwe computertechnologie gebaseerd op biologische moleculen biedt misschien het voordeel dat die meer compatibel is met het menselijk lichaam dan silicium.

Je kan je gemakkelijk inbeelden dat een inplant die op DNA is gebaseerd een geneesmiddel afscheidt naargelang de gezondheidstoestand van de patiënt.

Een ver gezocht, maar daarom niet onmogelijk, scenario uit een sciencefictionfilm is de inplanting van kunstmatige intelligentie, gebaseerd op DNA-technologie, in het menselijk brein.

© The Financial Times