Sprong in evolutie DNA-computer

Herbert Blankesteijn

Dat je kunt rekenen met DNA-moleculen, de informatiedragers van het leven, is geen nieuw idee. Al in 1994 heeft de Amerikaan Len Adleman laten zien dat je door te manipuleren met DNA bepaalde rekenproblemen kunt oplossen. Het probleem van de vertegenwoordiger die een weg zoekt langs een x-aantal steden (traveling salesman problem) is er een van.

Het Weizmann Instituut in Israel heeft grote vorderingen gemaakt in het rekenen met DNA-moleculen. Dat heeft het instituut in februari bekendgemaakt. Het Guinness Book of Records heeft de 'computer' van het instituut uitgeroepen tot de kleinste biologische rekenmachine.

Bij het rekenen met DNA speelt ieder DNA-molecuul in een oplossing de rol van rekeneenheid. Een reageerbuis vol DNA is zo een computer met een duizelingwekkend aantal 'processors', die elk voor zich niet erg snel zijn (een paar operaties per minuut), maar samen in principe heel ingewikkelde problemen kunnen oplossen die ook de beste huidige computers te machtig zijn. Een DNA-computer ter grootte van een druppel kan zonder veel moeite 100.000 keer sneller zijn dan een moderne pc.

Hoe werkt het? DNA bestaat uit laddervormige moleculen waarvan de treden vier mogelijke gedaanten kunnen hebben, dus daar kan informatie in worden opgeslagen. In levende wezens is dat informatie over de opbouw en werking van het lichaam. De mens kan in laboratoria tegenwoordig DNA-moleculen op bestelling bouwen. Zo kan in DNA elke willekeurige informatie worden opgeslagen.

Een stukje van een DNA-ladder die overlangs is doorgezaagd, zogeheten enkelstrengs-DNA, past alleen op een ander stuk, als alle halve treden aan de ene halve streng precies passen bij de andere helft. Is dat het geval, dan blijven de delen aan elkaar plakken. Zo kan informatie worden gelezen. Enzymen kunnen stukken DNA knippen als aan bepaalde voorwaarden is voldaan, en kunnen op die manier de rol van een programma vervullen.

Prof. Ehud Shapiro van het Weizmann Instituut heeft nu een computer gebouwd die van een lange rij enen en nullen bepaalt of er een even of oneven aantal enen aanwezig is. Dat gebeurt door het 'input'-molecuul stukje bij beetje af te breken. Er zijn vier toestanden mogelijk: er wordt telkens een 1 of een 0 onthuld, maar de manier waarop is afhankelijk van de vraag of het aantal enen tot op dat moment even of oneven is geweest. Omdat dit in woorden nauwelijks weer te geven is, verwijst Beet graag naar een animatie op de site van het Weizmann Instituut [http://www.weizmann.ac.il/mathusers/lbn/new_pages/Pree_Room.html].

Een jaar geleden heeft Shapiro al een DNA-computer gepresenteerd. De huidige kan 8000 maal zoveel parallelle bewerkingen uitvoeren en elke bewerking gaat 50 keer zo snel. Het systeem van nu kan rijen van 12 getallen aan, waar de vorige er bij 6 mee ophield. De betrouwbaarheid is 98% per stap; dat was 50. En waar Shapiro vooral trots op is: de vorige 'computer' gebruikte de chemische stof ATP als energiebron voor de bewerkingen, want ook een DNA-computer werkt niet vanzelf. ATP is ook de energiebron van levende cellen. De huidige versie gebruikt de inputmoleculen als brandstof en werkt daarmee veel efficiënter. Er komen maar drie soorten moleculen aan te pas.

Het rekenen met DNA gaat dus met reuzensprongen vooruit. Maar Shapiro geneert zich niet op de beperkingen te wijzen. Zo is er maar één bit geheugen, dus het antwoord kan alleen 'ja' of 'nee' luiden (even of oneven). De berekeningen mogen heel snel gaan, maar het prepareren van de inputmoleculen en het bepalen van de uitkomst door analyse van het overblijvende DNA zijn daarin niet meegerekend. DNA kan wel op bestelling worden gemaakt, maar enzymen (nog) niet. En de snelheid van silicium-computers neemt óók voortdurend toe, en deze computers zijn al ingeburgerd.

Shapiro ziet toepassing van DNA-rekenen op een termijn van 'tientallen jaren' pas werkelijkheid worden. Het is dus denkbaar dat deze techniek zijn achterstand nooit goedmaakt.