Im Jahr 1994 überraschte der US-Forscher Leonard Adleman die Fachwelt, indem er beschrieb, wie sich mithilfe von DNS-Abschnitten Daten in rasanter Geschwindigkeit verarbeiten lassen. Innerhalb von Sekunden löste Adleman mit den von ihm programmierten Molekülen ein mathematisches Problem, für das herkömmliche Rechner Stunden und Tage brauchen.

Informatiker in aller Welt hegten daraufhin die Hoffnung, dass solche Biocomputer schon bald klassische Rechner mit Siliziumprozessoren ersetzen werden. Doch schnell stand fest: Die Welt rechnender Biomoleküle ist so exotisch, dass die klassische Elektronik als Übersetzer benötigt wird. Derart ausgebremst rechnen die Bioprozessoren jedoch nur so schnell wie klassische Siliziumchips, die die von ihnen gelieferten Daten weiterverarbeiten. Aus diesem Grund glaubt heute kaum noch ein Computerwissenschaftler daran, dass Biocomputer herkömmliche Rechner in naher Zukunft ablösen werden.

Die Fähigkeit der Biomoleküle, komplexe Probleme zu lösen, geriet jedoch nicht in Vergessenheit: Seit einigen Jahren versuchen zahlreiche Arbeitsgruppen in aller Welt, speziell designte Molekülcomputer in lebende Zellen einzubauen, um diese gezielt zu steuern. So könnten die Eiweißfabriken der Zellen zum Beispiel dazu angeregt werden, Medikamente herzustellen und sich so gegen Krebs und andere Krankheiten zu wehren. Einen wichtigen Schritt auf diesem Weg haben nun Maung Nyan Win und Christina Smolke vom California Institute of Technology getan: Wie die Forscher im Fachmagazin Science berichten, ist es ihnen erstmals gelungen, einen Molekülcomputer in lebende Hefezellen einzubauen.

Dass sich mithilfe eines biologischen Computers Krankheiten eines Tages heilen lassen könnten, hat Yaakov Benenson vom Harvard FAS Center for Systems Biology in Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts bereits vor vier Jahren gezeigt - allerdings nur im Reagenzglas. Der damals erst 28 Jahre alte Biochemiker gehörte zu dieser Zeit der Arbeitsgruppe von Ehud Shapiro vom Weizmann-Institut im israelischen Rehovot an, der als Pionier auf dem Gebiet der biologischen Rechner gilt.

Benenson und sein Team beschrieben in der Wissenschaftszeitschrift Nature einen DNS-Computer, der Lungen- und Prostatakrebs entdecken und daraufhin zumindest theoretisch Moleküle herstellen kann, die die Krebszellen vernichten. Die Forscher hatten DNS-Moleküle konstriert, deren vorderer Abschnitt die entarteten Zellen anhand von vier Molekülen identifiziert, die für die Krebszellen charakteristisch sind. Sind die Konzentrationen aller vier Moleküle zu hoch und ist somit eine Krebserkrankung sehr wahrscheinlich, wird am hinteren Ende der DNS ein bestimmtes Teilstück abgespaltet - das Medikament, das die Tumorzellen vernichten soll.

Auch der nun von Win und Smolke präsentierte Biocomputer ist in der Lage, die Konzentration von Molekülen zu erkennen, die auf eine bestimmte Krankheit hindeuten. Die Wissenschaftler verwendeten für ihren Rechner jedoch keine DNS wie ihre Kollegen, sondern das verwandte Molekül RNA. Zusätzlich entwickelten sie Biokatalysatoren (Enzyme), die das Ablesen der RNA verhindern, sogenannte Ribozyme.

An die so zunächst ruhig gestellte RNA dockten die Forscher molekulare Sensoren an, die jeweils eines der Krankheitsmoleküle erkennen. Steigt die Konzentration des Moleküls, blockiert der Sensor die ihn umgebenden Ribozyme und der betreffende RNA-Teilabschnitt wird abgelesen. Damit die Eiweißfabrik der Hefezelle den Wirkstoff gegen die Krankheit herstellt, muss jedoch der gesamte RNA-Abschnitt abgelesen werden: Auf diese Weise stellen die Forscher sicher, dass nicht versehentlich ein Wirkstoff gebildet wird, wenn nur die Konzentration eines der Moleküle erhöht ist.

«Die von Win und Smolke vorgestellte Methode ist hochinteressant», urteilt Ralf Zimmer, der am Lehrstuhl für Bioinformatik der Münchener Ludwig-Maximilians-Universität an Molekülcomputern forscht. Zwar seien die Möglichkeiten heute noch stärker eingeschränkt als bei dem 2004 veröffentlichten Verfahren. Allerdings sei die neue Methode womöglich weniger anfällig für Fehler, sagt Zimmer. «Bestätigt sich die Vermutung, wäre das zu begrüßen - denn bei der Manipulation von Zellen mit Biocomputern kann man auch viel Unheil anrichten», warnt der Experte.

Win und Smolke sehen als größte Herausforderung für die Zukunft die Übertragung ihrer Methode von Hefezellen auf den menschlichen Körper. Es gebe jedoch keinen Grund, warum ähnliche molekulare Automaten nicht auch eines Tages in Körperzellen funktionieren könnten, schreiben die Forscher in Science. Da bei nahezu allen Krankheiten die Konzentrationen einzelner Moleküle verändert sind, ließe sich theoretisch für jedes Leiden ein molekularer Rechner programmieren, der die charakteristischen Veränderungen automatisch erkennt und entsprechend handelt.

Welche Hürden auf diesem Weg zu überwinden sind, beschreiben Ehud Shapiro und sein Kollege Bin-yamin Gil in einem Science-Kommentar: Wenn man einen Computer entwerfe, verwende man eine Design-Software, schicke das fertige Design zu einer Chip-Fabrik und halte mit etwas Glück nur kurze Zeit später ein funktionierendes Gerät in der Hand, schreiben die Forscher. Bei biologischen Computern gebe es indes keine vergleichbaren Fabriken, die maßgeschneiderte Enzyme herstellen könnten. Fazit der israelischen Wissenschaftler: Ein Durchbruch in der Biocomputer-Forschung ist erst nach Erfolgen im Enzym-Engineering zu erwarten. Und die könnte noch einige Jahre auf sich warten lassen.

Mit freundlicher Genehmigung übernommen aus der

«Berliner Zeitung».