Molekulare motorbetriebene Bio-Computer

Ein vor Kurzem gestartetes Forschungsprojekt hat die Entwicklung eines Bio-Computers zum Ziel, der zwei Hauptprobleme der Supercomputer von heute überwinden soll: Zum einen verbrauchen Supercomputer erhebliche Mengen elektrischen Stromes, sodass die Entwicklung mächtigerer Computer vor allem an der Kühlung der Prozessoren scheitert. Zum anderen sind heutige Computer nicht besonders gut darin, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erledigen. Der Bio-Computer auf Basis von molekularen Motoren verbraucht im Vergleich zu herkömmlichen Computern nur einen Bruchteil der Energie pro Rechenoperation. Außerdem kann er sehr viele Operationen gleichzeitig ausführen und ist daher besonders für Probleme wie die Softwareüberprüfung geeignet, bei der sehr viele Lösungen überprüft werden müssen.

Der Einfluss dieser Forschung beschränkt sich nicht auf das Design fehlerfreier Software: »Praktisch betrachtet können alle wirklich interessanten mathematischen Probleme der heutigen Zeit mit unserer derzeitigen Computertechnologie nicht effizient berechnet werden«, so Dan V. Nicolau, Ph.D. M.D., vom britischen Unternehmen MolecularSense, das die initiale Idee zur Nutzung biomolekularer Motoren als Computer hatte. Diese Grenze, ab der ein Problem zu schwierig für einen Computer wird, möchte das hier vorgestellte neue Projekt durch die Nutzung biomolekularer Motoren als Recheneinheiten hinausschieben: Die Grundidee ist, dass die – jeweils nur wenige Milliardstel eines Meters (d.h. Nanometer) kleinen – biomolekularen Maschinen Probleme lösen, indem sie sich durch ein Netzwerk winziger Kanäle bewegen. Das per Nanofabrikation hergestellte Netzwerk repräsentiert dabei einen mathematischen Algorithmus (siehe Bild 1). Dieser Ansatz wird von den Forschern als »netzwerk-basierter Bio-Computer« bezeichnet. Jedes Mal, wenn die Biomoleküle eine Kreuzung im Netzwerk erreichen, können sie entscheiden, ob sie eine Zahl addieren oder nicht. Jedes einzelne Biomolekül fungiert so als ein winziger Computer – mit Prozessor und Arbeitsspeicher. Obwohl jedes Biomolekül für sich betrachtet viel langsamer rechnet als ein elektronischer Computer, kann die schiere Anzahl an Molekülen dank Selbstorganisation eine große Rechenleistung entwickeln. Dieser Ansatz funktioniert in kleinem Maßstab auch schon in der Praxis, wie die Forscher in einer Publikation im wissenschaftlichen Magazin PNAS zeigen konnten. »Wir nutzen die molekularen Motoren von Zellen, die in Milliarden von Jahren der Evolution optimiert wurden, als hocheffiziente Nanomaschinen« sagt Prof. Stefan Diez, der das teilnehmende Dresdner Forschungsteam leitet. »Die biologischen Recheneinheiten können sich selbst vermehren, um sich der Schwierigkeit des mathematischen Problems anzupassen«, ergänzt Dr. Till Korten von der TU Dresden, Mitkoordinator des Bio4Comp-Projektes und gemeinsamer Erstautor der PNAS-Publikation.

Das Forscherteam wird sich nun der Entwicklung der Technologie widmen, die zur Hochskalierung netzwerkbasierter Biocomputer benötigt wird. Dabei haben sich die Forscher sich zum Ziel gesetzt, andere alternative Computer wie DNA-Computer oder Quantencomputer zu übertreffen. Das Forscherteam hofft, damit eine größere Gemeinschaft aus Wissenschaft und Wirtschaft anzusprechen und so ein neues Forschungsfeld zu begründen. Um dies zu realisieren, haben sie eine Forschungsförderung des Future & Emerging Technologies (FET) Programmes der EU in Höhe von 6,1 Millionen Euro erhalten. Das geförderte Projekt ist stark interdisziplinär und bewegt sich im Spannungsfeld zwischen Mathematik, Biologie, Ingenieurwissenschaft und Informatik. 

Von der Fördersumme gehen 1,1 Millionen Euro an die Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.. Fraunhofer wird seine Expertise auf den Gebieten Fertigungstechnik, Integration von Bauelementen und Materialwissenschaften einbringen und mit zwei seiner 69 Institute teilnehmen: dem Fraunhofer ENAS (Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme) in Chemnitz, Sachsen, und dem Fraunhofer ISC (Fraunhofer-Institut für Silicatforschung) in Würzburg, Bayern.

Das Fraunhofer ENAS wird mit seiner Expertise auf den Gebieten Nanostrukturierung und Smart Systems Integration dazu beitragen, eine skalierbare Fertigung der Netzwerke für das Bio-Computing zu ermöglichen. »Ein spannende Herausforderung dieses Projektes ist es, dass – zur Lösung dieser Aufgabe – aus der Mikroelektronik bekannte Fertigungstechnologien und neuartige Nanostrukturierungsverfahren in einem völlig neuen Kontext eingesetzt werden«, sagt Prof. Stefan E. Schulz, stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer ENAS, Leiter des Geschäftsfelds Mikro- und Nanoelektronik und Projektleiter für das EU-Projekt Bio4Comp innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft. Ein maßgeblicher Anteil der Arbeit wird in der Arbeitsgruppe Nanostrukturierung am Fraunhofer ENAS unter Leitung von Dr. Danny Reuter durchgeführt, die mittels Elektronenstrahl-Nanolithographie (EBL) die ingenieurwissenschaftlichen Herausforderungen angeht, einerseits die Grundfläche der Netzwerke für das Bio-Computing zu vergrößern und andererseits die Abmessungen der Kanäle und ihrer Abstände zueinander noch weiter zu verkleinern.

Das Fraunhofer ISC in Würzburg wird seine Expertise auf den Gebieten Materialdesign und Funktionalisierung von Hybridpolymeren einbringen. Das Institut hat die Aufgabe übernommen, fehlerfreie Kreuzungen zwischen den Mikrofluidik-Kanälen herzustellen. Die Würzburger nutzen dafür die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) – ein echtes 3D-Laserdirektschreibverfahren. Solche Kreuzungen können beispielsweise als brückenartige Mikrostrukturen ausgebildet werden, die eine präzise Richtungsführung für die Motor-Proteine ermöglichen. Dafür müssen die mit 2PP geschriebenen Strukturen in das komplexe Kanalsystem integriert werden, das am Fraunhofer ENAS mit Elektronenstrahllithographie hergestellt wird. »Die Aufgabe ist eine echte Herausforderung, da für die fehlerfreie Bewegung der Proteine eine extrem hohe Präzision beim Schreiben der Sub-Mikrometerstrukturen notwendig ist«, erklärt Gerhard Domann, Leiter des Bereichs Optik und Elektronik am Fraunhofer ISC. »Außerdem muss eine genau definierte chemische Wechselwirkung zwischen den Strukturen und den nanoskaligen Proteinen gesichert werden. Das erreichen wir durch den Einsatz hybrider Polymere, die eine von uns designte spezielle Oberflächenfunktionalität besitzen«, so Domann weiter.

Eine gemeinsame Aufgabe für Fraunhofer wird die Integration der mikrofluidischen Bauelemente, wie der am Fraunhofer ISC entwickelten Kreuzungen, in einen funktionierenden netzwerkbasierte Bio-Computer sein. Die weiteren Partner des Konsortiums im Bio4Comp-Projekt sind die schwedischen Universitäten Lund und Kalmar (Carl-von-Linné-Universität), die Firma MolecularSense Ltd. aus dem Vereinigten Königreich, die Bar-Ilan-Universität in Ramat-Gan, Israel und die Technische Universität Dresden.

Das Bio4Comp-Projekt (2017 – 2021) wird durch Horizont 2020 gefördert, das EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation (Zuschussvereinbarung Nr. 732482). Weitere Informationen sind unter der Webseite des Konsortiums zu finden: http://www.bio4comp.eu.

Weitere Informationen:
zur zitierten Veröffentlichung (PNAS 2016): http://www.pnas.org/content/113/10/2591.full?sid=5d9e45c4-6338-461e-9c93-a74c5ca7b6ed
zur Projektwebseite: http://www.bio4comp.eu
zum Fördergeber: http://cordis.europa.eu/project/rcn/205991_en.html