Unser tägliches Leben ist so digitalisiert, dass selbst technikbegeisterte Menschen wissen, dass ein Computer ein Haufen elektronischer Transistoren ist, die in einem Programm codierte 1 und 0 Signale verarbeiten. Aber eine neue Art des Rechnens könnte uns dazu zwingen, unser Denken neu zu starten: Zum ersten Mal haben Wissenschaftler die Energiequelle von lebenden Zellen genutzt, um winzige Proteine mit Strom zu versorgen, um ein mathematisches Problem zu lösen.
Die von einem Vater-Sohn-Duo geleitete Forschung ist ein Schub für das Biocomputing, das Geräte verspricht, die komplexe Aufgaben bewältigen und viel weniger Energie verbrauchen als elektrische Maschinen. "Es geht nicht darum, schnellere Computer herzustellen", sagt Dan Nicolau Jr., Hauptautor der neuen Studie, der in Oxford in mathematischer Biologie promoviert hat. "Es geht darum, Probleme zu lösen, die ein Computer überhaupt nicht lösen kann."
Verwenden Sie Code-Breaking, bei dem Sie Billionen von Kombinationen durchsuchen müssen, um eine korrekte Lösung zu erhalten. Es ist vielleicht überraschend, dass Großrechner ein solches Problem nicht so gut lösen können, weil sie dazu neigen, linear zu arbeiten und Berechnungen in einer Sequenz nach der anderen durchzuführen. Die parallele Verarbeitung, bei der mehrere mögliche Lösungen gleichzeitig ausprobiert werden, ist die bessere Wahl.
Hier setzt das neue Experiment an. Dan Nicolau Sr., Leiter des Bereichs Bioengineering an der McGill University in Montreal, untersucht seit Jahren die Bewegung von Proteinen des Zytoskeletts, die dabei helfen, Zellen ihre Struktur zu verleihen. Um 2002 dachte sein Sohn, damals noch ein Student, darüber nach, wie Ratten in Labyrinthen und Ameisen auf der Jagd Probleme lösen können. Könnten die Proteine, die sein Vater erforscht hat, auch zum Lösen von Rätseln verwendet werden?
Um die Frage zu testen, mussten sie sie zunächst in eine Form übersetzen, auf die die Proteine reagieren konnten. Die Forscher wählten ein mathematisches Problem, zeichneten es als Grafik und wandelten die Grafik dann in eine Art mikroskopisches Labyrinth um, das auf einen 1-Zoll-Quadrat-Siliziumdioxid-Chip geätzt wurde. "Dann lassen Sie dieses Netzwerk von Agenten erkunden - je schneller, desto kleiner, desto besser - und sehen, wo sie rauskommen", sagt Nicolau Sr. In diesem Fall handelte es sich bei den Wirkstoffen um Proteinfilamente des Zytoskeletts aus Kaninchenmuskeln (und einige aus dem Labor), die die verschiedenen Lösungen des Labyrinths „erforschten“, wie eine Menschenmenge, die nach Ausgängen suchte. Währenddessen nahmen die mäanderförmigen Proteine Energie aus dem Abbau von ATP auf, dem Energie freisetzenden Molekül, das die Zellen antreibt, und die „Antworten“ ergaben sich aus der Beobachtung, wo die Proteine entwichen sind, und folgten dann ihren Schritten.
Dieser experimentelle Biocomputer kann eine elektronische Maschine nicht übertreffen und wurde entwickelt, um nur ein Problem zu lösen. Die Forscher sind jedoch der Meinung, dass das Konzept eines Tages erweitert werden kann, um die Herausforderungen zu meistern, die derzeit bei herkömmlichen Computern auftreten, und zwar mit „tausendmal weniger Leistung pro Berechnung“, sagt Nicolau Jr. Kryptographie, Wirkstoffdesign und Schaltungspfade stellen große mathematische Herausforderungen dar, die gerade erst begonnen haben für einen natürlichen Parallelprozessor. Und wie Nicolau Jr. sagt: "Das Leben macht die Dinge effizienter."
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Diese Geschichte ist eine Auswahl aus der Mai-Ausgabe des Smithsonian-Magazins
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