Ein Team aus US-amerikanischen Biologie- und Informatikstudenten hat Bakterien dazu gebracht, Berechnungen mit ihrer DNA auszuführen. Die Idee dahinter sei, sich die selbstständige Vermehrung der Mikroben zunutze zu machen, heißt es in der Studie: Bei jeder Teilung erzeuge eine Bakterie einen neuen Prozessor. In der Petrischale wachse dadurch ein gewaltiger Parallelrechner heran. Den Forschern gelang der Nachweis, dass dadurch Probleme gelöst werden können, an denen herkömmliche Computer meist scheitern.

Die Wissenschaftler von der Missouri Western State University in St. Joseph und dem Davidson College stellten ihren Biocomputer vor die Aufgabe, eine Lösung für das aus der Graphentheorie stammende, so genannte Gerichtete Hamiltonpfadproblem zu finden. Dabei geht es vereinfacht gesagt darum, herauszufinden, ob es eine Reiseroute gibt, bei der jede Stadt genau einmal angesteuert wird. Eine Besonderheit ist, dass sämtliche Städte nur durch Einbahnstraßen verbunden sind und (in der aktuellen Studie) Start- und Endpunkt der Reise vorher festgelegt wurden.

Das nach dem Iren Sir William Rowan Hamilton benannte Problem gilt als NP-vollständig und gehört damit in die Klasse besonders komplexer Probleme: Für zehn Städte gibt es 10!, also rund dreieinhalb Millionen mögliche Pfade. Bei 20 Städten wächst die Zahl um 12 Größenordnungen auf 2,43 x 10¹⁸. Herkömmliche Computer sind im Extremfall darauf angewiesen, jede einzelne Möglichkeit durchzuprobieren. Dieser kombinatorischen Explosion versuchten die Wissenschaftler nun Herr zu werden, in dem sie Milliarden von Bakterien gleichzeitig nach Lösungen suchen ließen.

Bei ihren Experimenten, die das Team bereits 2007 im Rahmen des Wettbewerbs "International Genetically Engineered Machines" des Massachusetts Institute of Technology durchführte, beschränkten sie sich allerdings auf lediglich drei Städte. Ihr Ziel sei es gewesen, die grundsätzliche Machbarkeit dieser Art von Berechnung zu demonstrieren, so Erstautor Jordan Baumgardner.

In die DNA von Darmbakterien der Art Escherichia coli montierten sie dazu kurze Erbgut-Sequenzen, die mit einem Gen für grüne oder rote fluoreszierende Proteine verbunden waren und sich aneinanderheften konnten. Jede davon repräsentierte eine Kante im Graphen – sinngemäß also eine der Einbahnstraßen. Weiterhin entnahmen sie aus dem genetischen Werkzeugkasten von Salmonellen einen Proteinkomplex, der den Koli-Bakterien die Fähigkeit verlieh, die Reihenfolge dieser DNA-Bausteine durcheinander zu würfeln. In ihrem Genom stellte dadurch jede Bakterie eine zufällige Verbindung zwischen den "Städten" dar.

Um die "Ausgabe" des Computers abzulesen, musste nun nur noch die Farbe beobachtet werden, in der die Bakterien leuchteten. Die DNA-Abschnitte waren so gewählt, dass die Zelle, wenn sich ihre Sequenzen per Zufall zu einer gültigen Lösung aneinander gelagert hatten, sowohl grüne, als auch rote Fluoreszenzmarker herstellte und infolgedessen gelb leuchtete. Mit gentechnischen Standardverfahren ließ sich anschließend nachweisen, dass diese DNA-Sequenzen tatsächlich einer korrekten Lösung entsprachen.

Der Bau ihres Bakteriencomputers wurde dem Studententeam unter der Anleitung von Todd Eckdahl, ebenfalls von der Missouri Western State University, durch die fortschreitende Standardisierung von DNA-Werkzeugen und -Sequenzen ermöglicht. Zahlreiche dafür nötige Komponenten sind mittlerweile kommerziell erhältlich. Trotz allem verlangt die Programmierung des Rechners bei diesem oder ähnlichen Verfahren einen enormen Zeitaufwand.

Hinsichtlich seiner Universalität wird ein biologischer Computer daher auf absehbare Zeit mit seinem elektronischen Gegenstück kaum mithalten können. Dessen Software kann auf beinahe jedes mathematisch formulierbare Problem zugeschnitten werden. Seine Vorteile spielt der Biocomputer eher in Anwendungen aus, in denen es darauf ankommt, sich mit anderen biologischen Systemen zu verknüpfen – etwa um im Zellinnern physiologische Prozesse anzustoßen. Zellen könnten dadurch zum Beispiel dazu gebracht werden, bestimmte Substanzen nur auszuschütten, wenn Bedarf besteht. (jd)