Hardware-Projekt HW09

- N a v i g a t i o n - - - - - - - -

- VI-ANEC

- Über das Institut

- Software-Projekte

- Hardware-Projekte

- Best-Paper-Best-Program-Awards

- Sponsoring

- Dienste

- Kontakt

Evolvable Hardware 7:

DNA-Computing

Im Rahmen von Nicht-Standard-Verfahren und -Materialien zur evolutionären Hardware (Hardware-Projekt HW07) wurden bereits DNA-Moleküle und Modifikationen genannt, die mit ihren elektrischen (und eventuell magnetischen) Eigenschaften zur Implementierung entsprechender Strukturen geeignet wären. Insbesondere die Eigenschaft der selbstorganisierenden Strukturierung komplexer, funktionaler Einheiten durch modifizierte Nukleotide eröffnet das Potential für 3-dimensionale, Self-Assembling-Computing-Architekturen.

Mit Hilfe von DNA-Strängen, die sich in Lösung befinden, und entsprechenden biochemischen Reaktionen lassen sich Bottum-Up-Molekül-Computer erzeugen, die gegenüber einem Top-Down-Ansatz der konventionellen Halbleiter-Herstellung ebenso wie nicht Standard-Verfahren wie Drucken von Schaltungen entscheidende Vorteile besitzen (siehe Eric Winfree für Personen, Konzepte und Publikationen zum DNA-Computing).

In z.B. 6 Gramm DNA mit 200 Basenpaaren, die in einem Liter Wasser gelöst sind, können ca. 3 * 10^21 Byte gespeichert werden (Zimmer (1999:24f)), wobei die Länge der DNA-Stränge auch wesentlich grösser sein kann, was zu einer erhöhten Speicherdichte in der Lösung führt. Werden auf die DNA-Stränge biochemische Operationen angewendet, die als Rechenoperationen interpretierbar sind, so besitzt eine solche Lösung das Potential von 10^18 Operationen pro Sekunde, auch wenn die biochemische Operation eine Frequenz von nur einer Minute besitzt.

Durch die beliebige Skalierbarkeit und die Möglichkeit, verteilte und hierarchische DNA-Populationen aufzubauen, besitzen DNA-Computer das Potential, in absehbarer Zeit Rechenleistung zu liefern, die um viele Zehnerpotenzen grösser ist, als konventionelle Halbleiter-Technologien. Die DNA-Technologie könnte somit eine Zwischenstufe zu grossen Quanten-Computern (Very- oder Ultra-Lage-QC) darstellen, deren Realisierung voraussichtlich noch einige Jahrzehnte benötigen wird. Durch die somit kurzfristig verfügbare hohe Rechenleistung könnten Simulationen im Bereich der Nanotechnologie und der Quantenmechanik durchgeführt werden, die eine Entwicklung von Quanten-Computern deutlich beschleunigen würde.

Ein universeller DNA-Computer würde somit auch GP-Verfahren erlauben (GP-DNA-Computing), wobei gigantische Populationen einfach und kostengünstig realisierbar wären.

Der erste Schritt hierzu soll durch die Untersuchung der Möglichkeiten des Genetic-Programming im Lamda-Kalkül durchgeführt werden, was zunächst ein Software-Projekt darstellt. Da diese Untersuchung jedoch vor dem Hintergrund der Realisierbarkeit durch DNA-Computer stehen soll, wird das Gesamtprojekt jedoch als Hardware-Projekt klassifiziert.

Denkbar ist die Erzeugung oder die Nutzung eines bestehenden Simulationsmodells, das die biochemischen Operationen der DNA-Strang-Manipulation abbildet. In einem solchen Simulationsmodell soll das Lamda-Kalkül abgebildet werden, und es soll die automatische Induktion von Programmen durch die entsprechenden biochemischen Operationen simuliert werden.

Ein DNA-Computer besitzt neben den DNA-Technologien auch konventionelle Komponenten, die als Host-Rechner arbeiten. Durch den Host-Rechner wird die Transliteration und die Detransliteration gesteuert, und er implementiert das Interface zu Benutzern, die Probleme spezifizieren, oder zu externen Sensoren/Aktoren. Insbesondere die Detransliteration, d.h. die Identifizierung der Komponenten eines speziellen DNA-Stranges, erfordert sehr aufwendige Signal-Processing-Operationen, die im Rahmen des BIOMIP-Projektes der GMD durch konfigurierbare, (und evolutionäre) digitale FPGA-Hardware übernommen wird. Die Identifikation und Verfolgung von Molekülen wird durch Technologien übernommen, bei denen Fluoreszenmakierungen und Lasertechnologien eingesetzt werden, d.h. die Identifikation und Verfolgung erfolgt durch optische Signalverarbeitung. Um schnellere und insbesondere parallele Identifikationsleistungen zu erzeugen, welche die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems erhöhen würde, könnten hier photonische Systeme eingesetzt werden, die ein Sensor- und ein Prozessor-System integrieren. Durch die sehr hohe Parallelisierbarkeit optischer Systeme, könnten hierbei Subpopulationen selektierter DNA-Stränge gleichzeitig identifiziert werden.

Ein anderes Teilprojekt könnte sich mit der Erhöhung der Speicher- und Prozessorkapazität durch künstliche Nukleotide beschäftigen. In konventioneller DNA findet eine Speicherung durch vier Nukleotide A, T, C, G statt, d.h. es wird eine 2-bit-Kodierung verwendet, da jede Komponente in einem DNA-Strang durch vier Alternativen belegt werden kann. Im Rahmen einer DNA-Chemie besteht die theoretische Möglichkeit, künstliche Nukleotide zu erzeugen, welche die Reproduktions- und Selektionsfähigkeit der DNA-Technologie nicht stören, die aber gleichzeitig als unterscheidbare Elemente in einem DNA-Strang identifizierbar sind. Werden mehr als vier Nukleoide in einem DNA-Computer verwendet, so könnte auf diese Weise die Speicherdichte und die Rechengeschwindigkeit entscheidend vergrössert werden, wenn die biochemischen Operationen auf der neuen Nukleotid-Menge gleich schnell ablaufen, wie auf der alten Nukleotid-Menge.

Die Suche nach geeigneten künstlichen Nukleotiden kann durch Verfahren des Molecular-Modelling in Verbindung mit evolutionären Suchverfahren durchgeführt werden, d.h. durch Verfahren des Soft-EA. Es können aber auch Verfahren der kombinatorischen Chemie angewendet werden, um entsprechende Substanzen mit den geforderten Eigenschaften zu suchen. Hierbei werden Massenscreanings als quasi evolutionäre Evaluation eingesetzt, wobei es sich um ein Wet-EA-Verfahren handelt, da die Prozesse der kombinatorischen Chemie in Lösungen durchgeführt werden. Denkbar sind auch Kombinationen von Soft- und Wet-EA, bei denen eine informationslogistische Beschreibung der Wet-EA-Prozesse auf einem hohen aggregierten Niveau durchgeführt wird, um Regelungen der Wet-EA-Prozesse durchführen zu können, wie z.B. die optimale Einstellung von chemischen Verfahrensparametern (z.B. Temperaturen, Konzentrationen,...) oder die Entwicklung von Migrationsstrategien bei Multi-Populationen.

Die Inputfunktion in einen DNA-Computer übernimmt ein DNA-Synthesizer, und die Outputfunktion übernehmen bei den bisherigen Architekturvorstellungen optische Sensorsysteme. Die Verarbeitungsprozesse innerhalb des DNA-Computers, d.h. die Operationen auf den DNA-Strängen übernehmen chemische Prozesse, die zwar vergleichsweise langsam ablaufen, die aber extrem parallel ablaufen, da jedes Enzym-Molekül ein eigener Prozessor darstellt.

Es ist denkbar, dass Enzyme existieren, welche die gleichen Funktionen auf den DNA-Strängen durchführen können, dies aber in einer wesentlich schnelleren Frequenz. Weiterhin ist denkbar, dass Enzyme existieren, die spezielle Computing-Operationen implementieren, d.h. diese Operationen lassen sich analog wie spezielle Maschinenbefehle verstehen, die eine Beschleunigung gegenüber einer Minimal-Instruction-Set darstellen. Spezielle Enzyme sind insbesondere in Verbindung mit künstlichen Nukleotiden anwendbar, da dadurch eine Steigerung der Speicher- und der Berechnungsleistung erfolgen kann.

Zimmer, Ralf: Ein universeller DNA-Computer. In: GMD-Spiegel 3/4 Oktober 1999, S. 24 - 28.

Zimmer, Ralf: Zur Pragmatik eines operationalisierten Lamda-Kalküls als Basis für interaktive Reduktionssysteme. Oldenburg-Verlag, 1990.