Een DNA-computer verslaat alle bestaande computers met stukken wat betreft rekensnelheid en geheugencapaciteit. Komen er zelfdenkende medicijnen? Zal DNA de opvolger betekenen van onze bestaande computers? De mogelijkheden zijn enorm, maar er zijn nog de nodige technische uitdagingen.
Einde van de Wet van Moore
Tot op heden is de rekencapaciteit van computers elke twee jaar verdubbeld. Moore’s Law, zoals deze self-fulfilling prophecy heet, blijkt al veertig jaar lang een ijzeren wet. Een verbazingwekkende prestatie. Vooral als je bedenkt wat de vooruitgang is geweest in andere technische en wetenschappelijke takken van sport. Als je de lijn doortrekt zullen transistors rond 2020 de grootte hebben van moleculen. Dit kan – er zijn moleculen die in theorie als zodanig gebruikt kunnen worden – maar hierna is de theoretische limiet wel bereikt (tenzij je op de een of andere manier met subatomaire deeltjes, ruimtetijd zelf of foton-foton interacties kan rekenen). Het is dus duidelijk dat de huidige computerarchitectuur, met een werkgeheugen en een processor, over tien jaar tegen fundamentele problemen aanloopt.
De DNA-computer is zeer klein en zuinig. Ze beloven denkende medicijnen mogelijk te maken en nog veel meer… Bron: Pixabay/TheDigitalArtist
Voordelen van een DNA-computer
DNA bestaat uit een extreem lange ketting van vier bouwstenen: de nucleotiden adenine, guanine, cytosine en thymine. Deze komen steeds in vaste paren (adenine + thymine of cytosine + guanine) gecombineerd voor. Per basenpaar zijn er hiermee vier mogelijkheden: een keuze tussen twee basenparen en per basenpaar, de onderlinge positie): twee bits dus. De hoeveelheid informatie in het menselijk DNA is enorm: drie miljard basenparen, 0,75 gigabyte, de inhoud van een volle cd-rom. Per cel en daar zijn er in het menselijk lichaam rond de vijftig tot honderd biljoen van.
Een tweede aantrekkelijke eigenschap van DNA is dat het tegelijkertijd ook een processor is. In plaats van één processor werken er ontelbare miljarden processoren tegelijkertijd. Kopiëren gaat vrij eenvoudig.De ketting wordt uit elkaar geritst. Vervolgens hechten de ontbrekende nucleotiden zich op de openvallende plaatsen. En automatisch wordt één DNA-keten, er twee. Ook kan DNA snel combineren met een ontbrekende nucleotide. De rekensnelheid van een DNA-computer is dan ook enorm en groter dan die van alle pc’s ter wereld bij elkaar.
Dat bij een extreem laag energieverbruik. Een DNA molecuul heeft alleen de brandstof ATP nodig om twee DNA-kettingen uiteen te rukken. Samenvoegen en hydrolysering gaat automatisch, omdat deze toestanden energetisch gunstiger zijn. Het resultaat is dat een DNA-computer een miljoen maal zo zuinig is als een pc.
DNA-computer temmen
DNA kan slechts enkele gespecialiseerde berekeningen uitvoeren. Niet alle. Naast kopiëren en plakken kan DNA fouten corrigeren. Zo is Leonard Adleman er in geslaagd een kleine versie van het beruchte handelsreizigerprobleem (de kortste route om meerdere steden aan te doen) op te lossen(1). De techniek komt er op neer dat voor elke mogelijke route een DNA-molecuul wordt gecreëerd dat vervolgens wordt uitgetest. Maar dan wel ontelbare malen tegelijk. Waarschijnlijk ontdekken we in de toekomst meer mogelijkheden.
Denkende medicijnen
Onderzoekers als Ehud Shapiro zijn nu bezig het aantal mogelijkheden van de techniek uit te breiden (2). Zo slaagde Shapiro er in om een DNA-computer vrij gecompliceerde logische puzzels op te laten lossen. Ook hier geldt dat met de voorbereidingstijd meegerekend, een normale computer dit veel sneller kan. Maar deze techniek kent direct al een nuttige toepassing. Stel dat door een bepaald type kankergezwel het gehalte in het bloed van stoffen 1, 2 en 3 stijgt. De DNA-computer zal dan een medicijn kunnen loslaten als (en alleen als) deze drie stoffen tegelijkertijd voorkomen. (3) Je kan op die manier ‘denkende’ medicijnen samenstellen. Die alleen op een bepaalde plaats, waar de concentratie kankerstoffen hoog is, of bij een bepaald ziektebeeld hun (doorgaans giftige) werkzame stof afgeven.
