Zoals een computer gegevens opslaat in enen en nullen, zo slaat de natuur die op in de vier basen van het DNA....
'OVER 25 JAAR zijn computers waarschijnlijk zó groot en bevatten ze geen elektronica maar enzymen.' Informaticus prof. dr. Grzegorz Rozenberg haalt een klein doosje pepermuntjes uit de borstzak van zijn overhemd. Met een pen 'druppelt' hij er een denkbeeldige vloeistof in. 'De informatie en programmatuur die je erin stopt, bestaat dan niet uit nullen en enen, maar uit DNA of andere organische moleculen.'
Rozenberg is voorzitter van het zesde internationale congres over DNA-computers, dat deze week aan de Universiteit Leiden werd gehouden. Honderdtwintig onderzoekers wisselden de laatste nieuwtjes uit op dit vakgebied, dat feitelijk slechts zes jaar bestaat. Het was in 1994 dat de Amerikaanse informaticus Leonard Adleman een doorwaakte nacht beleefde met het idee om wiskundige problemen op te lossen met stukjes erfelijk materiaal.
Na zeven dagen in het laboratorium met reageerbuisjes, stukjes erfelijk materiaal, enzymen die DNA aan elkaar plakken en vermenigvuldigen en verschillende biochemische technieken had hij een stukje erfelijk materiaal in handen dat antwoord gaf op de vraag: wat is de kortste route die een handelsreiziger tussen vier steden kan afleggen? Een type probleem dat moderne computers in een fractie van een seconde oplossen.
Rozenberg: 'Het hele experiment kostte Adleman een week. Maar hij bewees dat je kunt rekenen met DNA. Alle met een computer oplosbare problemen kun je ook oplossen met een computer die rekent met DNA of andere moleculen.'
De huidige computers naderen fysieke grenzen wat betreft miniaturisering en snelheid. Handelsreizigersproblemen met dertig steden - de snelste computers moeten daar momenteel ruim vijf jaar op rekenen - zullen daardoor in de praktijk onoplosbaar blijven. Alleen parallelle computers, die vele berekeningen tegelijkertijd uitvoeren, zullen nog enig soelaas kunnen bieden. Echter niet veel, voorspelt Rozenberg.
'Intel werkt aan een computer met duizend parallelle processoren. Dat lijkt heel wat, maar voor elke snelheidsvermeerdering met een factor duizend, kun je een handelsreizigersprobleem oplossen dat slechts zes extra steden telt. Een DNA-computer voert geen duizend berekeningen tegelijkertijd uit, maar een triljoen.'
DNA is de informatiedrager van de natuur. Met zijn eindeloze kralensnoeren van de bouwsteentjes A, T, G en C - die staan voor de basen adenine, thymine, guanine en cytosine - bevat het de code die verantwoordelijk is voor de aanmaak van eiwitten. Cellen hebben een machinerie om die DNA-code af te lezen, het erfelijk materiaal te dupliceren en eventuele fouten te repareren. Daarmee zijn alle ingrediënten aanwezig voor de bouw van een eenvoudige computer.
De unieke volgorde van de vier basen in het DNA dragen de informatie, zoals een computer informatie opslaat in nullen en enen. De efficiency van DNA is echter veel groter. Vijf gram DNA kan evenveel informatie bevatten als 150 hectare van het modernste harddisk-materiaal, ongeveer drie keer het geheugen van alle computers ter wereld.
Doordat elke A uit een streng DNA aan een T kan plakken en elke G aan een C - wat nodig is voor het dupliceren van het DNA - herkent een streng specifieke 'complementaire' stukjes DNA van andere strengen. Een stukje met de basen GCATAG bijvoorbeeld, herkent en plakt aan zijn 'spiegelbeeld' CGTATC.
Herkennen en selecteren vormt de basis van elk computerproces. DNA kan met een enkele druk op de knop van een DNA-synthesizer in elke willekeurige samenstelling worden gemaakt. Door de basenvolgorde van de stukjes DNA slim te kiezen, kan de herkenning worden gebruikt om te rekenen.
In het geval van de handelsreiziger heeft elk van de vier steden een eigen unieke volgorde van acht basen. De 'verbindende vlucht' tussen twee steden wordt gevormd door de eerste vier basen van de stad van vertrek en de laatste vier basen van de stad van aankomst. Door deze samen te voegen met het spiegelbeeld van de steden ontstaan binnen enkele seconden alle mogelijke DNA-ketens, die de verschillende oplossingen symboliseren.
Met gereedschap uit de genetische trukendoos zijn relatief eenvoudig die strengen te selecteren die de begin- en eindsteden aan hun uiteinden hebben en uit precies vier 'vliegverbindingen' bestaan. Daaruit is de te volgen route te destilleren.
De crux van het verhaal is dat in de biochemie vele miljoenen moleculen tegelijkertijd een reactie met elkaar aangaan. Dus dat het antwoord al na een fractie van een seconde in de reageerbuis ligt te wachten op detectie.
Rozenberg: 'De huidige laboratoriumtechnieken zijn natuurlijk ongeschikt voor toepassing in een computer. Ze zijn ook veel te traag. Maar de feitelijke berekening - de herkenning - gebeurt onmiddellijk. Dat levert ongelooflijk veel tijdwinst op. Het principe is inmiddels in de praktijk bewezen.'
Het klinkt nogal futuristisch: rekenmachientjes en computers met reactiemengsels in plaats van chips. Rozenberg benadrukt dat de gebruiker niet zelf in de weer hoeft met pipet en reageerbuis. Invoer van de gegevens en het uitlezen ervan kan via toetsenbord en beeldscherm. Daartussenin zit echter een klein chemisch fabriekje dat DNA synthetiseert, reacties genereert en moleculen detecteert. Fabriekjes ter grootte van de huidige chips.
De computerprogrammeurs zullen zich moeten omscholen en een geheel nieuwe computertaal moeten leren. Of zelfs een geheel andere manier van denken, meent dr. Lila Kari van de universiteit van Western Ontario in Canada.
'Een traditionele computer maakt zelden fouten. De natuur en ook een DNA-computer is echter niet onfeilbaar. Systemen in de reageerbuis zijn meestal slechts 90 procent correct, soms zelfs maar voor 50 procent. Het is daarom niet duidelijk of DNA-computers beter zullen zijn dan de huidige. Wel kun je er andere dingen mee doen. Ze werken meer volgens de fuzzy logic, zoals ook de menselijke hersenen werken. Met relatief veel fouten en voortdurende compensatie daarvan.'
Kari bestudeert de rekencapaciteit van levende cellen. Waarom zou je alles in een reageerbuis proberen na te maken als de natuur al vele miljoenen jaren selectiewerk heeft gedaan, meent ze. Ze bestudeert ciliaten, eencellige waterdiertjes met een ingewikkelde manier van seksuele voortplanting.
DE CILIATEN halen daarbij erfelijk materiaal uit een opslagplaats in hun cel, knippen dat in stukjes en smeden die in een totaal andere volgorde aaneen tot een werkzaam chromosoom. Kari: 'Je kunt stellen dat de cellen rekenen. In drie stappen zetten ze een rij van vijf tot tien cijfers om in een andere rij cijfers. Dit bijzondere mechanisme kun je gebruiken om wiskundige problemen op te lossen.'
DNA-computers zijn hot. De VS en vooral Japan hebben grote investeringen gedaan in de computer van de toekomst. Ook Europa begint er warm voor te lopen. Het Leiden Center for Natural Computing, waarvan Rozenberg directeur is, is daarbij toonaangevend.
De razendsnelle ontwikkelingen in de moleculaire biologie en de technologisering en miniaturisering daarvan, zijn de belangrijkste redenen voor de sprong voorwaarts. Chemische reacties zijn nu mogelijk op een oppervlak ter grootte van een chip, afzonderlijke moleculen kunnen in een fractie van een seconde worden herkend.
'Over tien jaar zullen de eerste specialistische toepassingen van DNA-computers gebruikt worden', voorspelt Rozenberg. 'Algemenere computers die volgens dit principe werken, zullen binnen twintig jaar op de markt zijn. Er zijn nu al collega's die een eenvoudig schaakprobleem kunnen oplossen met behulp van een DNA-computer.'