Biocomputer Die Lösung ist die Lösung

Ein Reagenzglas mit etwas Flüssigkeit darin - sieht so der Superrechner von morgen aus? Die ersten Anwendungen gibt es bereits.

Mathematikern muss die reale Welt zuweilen als Hölle erscheinen. Sie, stets bereit, alles zu berechnen, sehen hilflos zu, wie in Fabriken, Vorstandsetagen und Behörden die Ungenauigkeit gepflegt wird.

Überall dort gibt es Nischen des Ungefähren, in denen es nur so wimmelt von Berechnungen, die "ganz in Ordnung", "so gut wie möglich" oder "zu 90 Prozent optimal" sind.

Alle, die es genauer wissen wollen, scheitern am Computer. Allein durch Versuch und Irrtum, stark vereinfacht also durch bloßes Herumprobieren, werden heute zum Beispiel die Flugpläne großer Luftfahrtgesellschaften erstellt. Tagelang spielen leistungsstarke Rechner Millionen von Möglichkeiten durch, wie Crews und Flugzeuge sinnvoll auf die einzelnen Routen verteilt werden können. Irgendwann muss die Berechnung abgebrochen werden, weil sie sich nicht mehr wesentlich verbessert - und weil jeder Tag Rechenzeit Geld kostet.

Kein Mensch weiß, ob es nicht wesentlich besser und billiger ginge - mit einer Variante, die der Computer leider noch nicht ausprobiert hat.

Bei komplexen Optimierungsproblemen wie diesem Flugplanbeispiel übersteigt die Auswahl an Lösungsmöglichkeiten locker die Zahl der Atome im Universum. Für solche Aufgaben müssen neue Rechnermodelle her. Weltweit forschen deshalb Spezialisten an Alternativen zum herkömmlichen Siliziumchip.

Als besonders Erfolg versprechend erscheint ein neuartiges Rechnerkonzept - der Biocomputer, der mit den Bausteinen des Lebens, der DNS, hantiert.

Was kann ein Biocomputer?

Der Biocomputer besteht nicht mehr aus elektronischen Schaltkreisen, sondern aus einer Flüssigkeit, in der DNS-Moleküle herumschwimmen. Bereits ein einziger Tropfen der Lösung enthält Milliarden von DNS-Teilchen, und jedes dieser Moleküle kann gleichzeitig an einer Aufgabe rechnen. Moderne Parallelrechner, sie gehören zu den leistungsfähigsten Rechengetümen der konventionellen Computerwelt, bringen es gerade mal auf 64 000 gleichzeitig arbeitende Prozessoren.

Eine solch gigantische Rechenleistung, wie sie der Biocomputer verspricht, ist verlockend. In den USA fördert deshalb das Verteidigungsministerium seit Jahren die Arbeit am Biorechner. 2001 entschloss sich auch die Europäische Kommission, Geld für die Forschung am molekularen Computer auszugeben.

Zwar liegt der erste kommerziell einsetzbare Biorechner noch in weiter Ferne. Doch bereits heute entstehen aus der Tüftelei an der Zukunftsvision vermarktbare Produkte und Erkenntnisse, die für Unternehmen nützlich sind.

Molekülkette ist die Lösung

Wie rechnen Biocomputer?

Greifbar wurde die Idee vom Biocomputer 1994 in einem Labor der University of Southern California in Los Angeles. Der Forscher Leonard Adleman ließ DNS-Moleküle rechnen - und erhielt zum ersten Mal eine präzise Antwort. Die Aufgabe: Adleman suchte den kürzesten Weg, der sieben fiktive Städte miteinander verbindet. Dabei durfte jede Stadt nur einmal besucht werden, Start und Ziel waren vorgegeben.

Um zu verstehen, wie Adleman das Problem löste, müssen wir ein wenig in die Grundlagen der Molekularbiologie einsteigen: Bei der DNS handelt es sich um eine lange Kette aus vier verschiedenen, immer wiederkehrenden Molekülsorten. Exakt zueinander passende DNS-Abschnitte wiederum verzahnen sich zu Doppelreihen.

Adleman ordnete in seinem Experiment jeder Stadt und jedem erlaubten Weg zwischen den Städten eine bestimmte künstlich hergestellte Molekülreihe zu. Im Reagenzglas schlossen sich bestimmte Molekülreihen ähnlich wie ein Reißverschluss zusammen. Die Doppelreihen reagierten weiter miteinander und bildeten immer längere Ketten. Aus diesen Ketten selektierte Adleman jene Lösung, die alle Städte enthielt, aber jede Stadt nur einmal. Diese Molekülkette stellte die Lösung des Problems dar.

In Adlemans Versuch ging es lediglich um sieben Städte. Eine simple Fragestellung, die jeder Schuljunge mit etwas Grübeln, Papier und Bleistift hätte beantworten können.

Indes, diese Aufgabenkategorie gerät schnell ins Überdimensionale. Mit zunehmender Größe lässt sich das so genannte Handlungsreisenden-Problem immer schwerer lösen. Die Zahl der Variablen, also der abzufahrenden Städte, steigt linear an. Die Zahl der Verbindungen zwischen diesen Städten wächst hingegen exponentiell. Bei drei Städten gibt es drei Verbindungen, bei vier Städten sechs Verbindungen, bei fünf zehn und so weiter.

Rasch erreicht die Zahl der Lösungsmöglichkeiten eine Größenordnung, in der kein Superrechner mehr alle Varianten durchspielen kann. Also begnügt man sich mit Näherungen.

Wann gibt es Prototypen?

Nachdem Adleman die einfache Version des Handlungsreisenden-Problems gelöst hatte, folgten Wissenschaftler in aller Welt seinen Spuren. Einer der führenden Köpfe der Biocomputing-Szene ist Grzegorz Rozenberg, Professor für theoretische Informatik im niederländischen Leiden.

Wenn Rozenberg mit schnellen Strichen auf eine Tafel zeichnet, wie die DNS rechnen soll, vermittelt er das Gefühl, alle Probleme seien gelöst und irgendeine Fabrik könnte morgen mit der Produktion von Biorechnern beginnen.

Das ist ein Trugschluss. Die Probleme fangen gerade erst an.

Wie soll eine Aufgabe so formuliert werden, dass sie als chemische Reaktion ablaufen kann? Wie soll gar eine Apparatur aussehen, in der Programmierung, Rechenprozess und Ergebnisdarstellung automatisch ablaufen?

Im DNS-Computer würden Milliarden von Molekülen parallel an einer Lösung arbeiten. Bisher gibt es keine Programmiersprache, mit der sich eine solche rechnende Teilchenhorde steuern ließe.

Spin-offs

Was bringt die Forschung?

Also alles nur vage Szenarien einer unendlich fernen Zukunft? Keineswegs. Auch wenn der Bau eines kommerziellen Biocomputers noch Jahrzehnte vor uns liegen mag: Schon heute gibt es praktische Anwendungen, gleichsam Abfallprodukte aus der Forschung (Spin-offs).

Grund genug für Unternehmen, etwa aus der Chemie- oder IT-Branche, die Fortschritte im Biocomputing aufmerksam zu verfolgen. So fördert die südkoreanische Regierung das "Molecular Evolutionary Computing"-Programm, an dem sich auch drei Biotech-Firmen beteiligen. Denn die Spin-offs auf diesem Gebiet können kommerziell interessant sein.

Zum Beispiel lassen sich DNS-Moleküle als Datenspeicher nutzen. Zur Weiterentwicklung dieser Technologie hat der Biocomputing-Spezialist Hilmar Rauhe in Köln die Informium AG gegründet.

Informium bietet künstliche Ketten aus DNS-Molekülen an, mit denen etwa die Fahrgestellnummer eines Autos und das Baujahr kodiert werden können. Werden die Moleküle in der Fabrik dem Lack beigemischt, ist das Auto identifizierbar - solange noch kleine Lacksplitter existieren.

Rauhe nennt sein Produkt Nanolabel. Jedes dieser Etiketten ist nur zwischen 10 und 100 Nanometer groß, mehr als 1000 Etiketten aufeinander gestapelt wären so dick wie ein Haar.

Firmen könnten sich mit Hilfe des Nanolabels vor Produktfälschungen schützen oder die Qualitätskontrolle erleichtern. Erste Kunden testen die Nanolabels im Pilotbetrieb.

Wie lernen Biorechner?

Wer heute ein Computerprogramm schreibt, muss sich vorher über jede Eventualität Gedanken machen. Nur was im Programmcode angelegt ist, kann die Software leisten. Die Natur ist da flexibler. Sie lernt und passt sich so an veränderte Bedingungen an.

Die Vision eines Computerprogramms, welches das Prinzip der Evolution nachahmt, hatten Wissenschaftler bereits in den 60er Jahren; praktisch umgesetzt wurden die Forschungsergebnisse nicht. Der Wissenschaftler Thomas Bäck erkannte vor einigen Jahren, dass seine Arbeit an evolutionären Algorithmen den Biocomputer ein erhebliches Stück weiterbringen würde - sie sind nun die mathematische Grundlage des Zukunftsrechners.

Die neue Erkenntnis setzte Informatiker Bäck in seiner Firma NuTech Solutions für den konventionellen Computer um. Er nutzt die evolutionäre Software bei der Entwicklung von Glasfiltern, wie sie etwa in Glasfasernetzen eingebaut werden.

Die optimale Beschichtung solcher Filter zu bestimmen ist extrem schwierig. Ein amerikanisches Unternehmen hatte 50 Millionen Filtervarianten entworfen - und wieder verworfen. Per Evolution im Computer reichten dem Team von Thomas Bäck zwei Millionen Varianten, um die Qualität zu verdoppeln.

Bäck konnte das Ergebnis so drastisch verbessern, weil seine Software die verschiedenen Filtermodelle mutieren lässt. So kommen auch scheinbar abwegige Varianten zum Zug, die ein normales Programm nicht beachtet. Nach jeder Mutation lernt die Software und passt sich an. Konventionelle Programme prüfen lediglich jene Varianten, die innerhalb bestimmter Parameter liegen.

Die evolutionäre Programmierung, spart in bestimmten Fällen viel Zeit und Geld. Ein Telekommunikationsunternehmen etwa konnte bei der Modernisierung eines internen Telefonnetzes mit 6500 Teilnehmern durch den Einsatz der Bäck'schen Software 4 Prozent der Kosten sparen - weil ein System entstand, das mit weniger Leitungen auskam. Auch dieser Fall ist ein Beispiel für das Handlungsreisenden-Problem, das Adleman schon 1994 umtrieb.

Rechensklaven von morgen

Nützliche Utopie

Praktischen Nutzen bringt die Forschung am Biocomputer vorerst der Arbeit mit normalen Rechnern und der Biotechnologie. Ob irgendwann wirklich ein neuer Supercomputer entsteht, ist noch offen.

Zumal sich auch die herkömmliche Computertechnologie rasant entwickelt. In die Verbesserung konventioneller Rechner pumpt die IT-Industrie gigantische Summen.

Aber auch wenn nicht gleich ein Biorechner auf jedem Schreibtisch steht: Faszinierend sind die Erkenntnisse allemal. Und die Behauptung, dass sich das gewonnene Wissen auch kommerziell anwenden lässt, belegen Unternehmer wie NuTech-Solutions-Vorstandsmitglied Thomas Bäck und Informium-Chef Hilmar Rauhe.

Wem der DNS-Computer dennoch wie Science-Fiction erscheint, dem sei gesagt, dass Wissenschaftler bereits viel weiter denken. Grzegorz Rozenberg von der Uni Leiden spielt bereits das theoretische Gedankenexperiment durch, so genannte Pantoffeltierchen zum Rechnen zu benutzen. Diesen Urtierchen könnten DNS-Sequenzen injiziert werden - in der Hoffnung, dass sie nach Plan miteinander reagieren.

Funktioniert die Theorie in der Praxis, dann gerät die uralte Art der Einzeller zu den Rechensklaven der Menschheit von morgen. Pantoffeltierchen unter dem Pantoffel.

Monitor: Wie ein Biocomputer funktioniert Supercomputer: Alternativen zum Siliziumchip


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