- Revolutionaire methode maakt gebruik van een virus om snellere computers te ontwikkelen
- Onderzoekers gebruiken CRISPR om een biosynthetische dual-core computer te creëren in menselijke cellen
- De eerste herprogrammeerbare DNA-computer is een feit
- Zijn bio-organische computers een levensvatbaar alternatief voor apparaten op siliciumbasis?
Computers hebben een enorme ontwikkeling doorgemaakt sinds de eerste programmeerbare rekenmachine, de Z1, die in 1938 door de Duitse werktuigbouwkundige Konrad Zuse gecreëerd werd. Deze machine had nog mechanische schakelingen maar wél een apart geheugen en werkte binair. Sindsdien zijn computers steeds kleiner, sneller en krachtiger geworden. In de loop der jaren hebben de ontwikkelingen nauwgezet de wet – of eigenlijk de voorspelling – van Moore gevolgd. Volgens Gordon Moore, Amerikaans ondernemer, ingenieur en medeoprichter van Intel, zou het aantal componenten per geïntegreerde chip grofweg elk jaar verdubbelen. Dit voorspelde hij in 1965. Maar naarmate computers kleiner worden, zal er onvermijdelijk een moment komen dat de huidige technologie uitontwikkeld raakt. Om te blijven voldoen aan Moore en nog nauwkeuriger en sneller te kunnen werken, moeten er nieuwe technologieën worden uitgevonden. De computerindustrie is nu op zoek naar alternatieve oplossingen, waarbij bio-organische computers een veelbelovende mogelijke optie lijken te zijn.
Bio-organische computers, ook wel wetware-computers genoemd, zijn apparaten die zijn samengesteld uit organische materialen, zoals levende neuronen. Conventionele computers kunnen alleen binair werken, maar een neuron kan duizenden verschillende hoedanigheden aannemen. Dit betekent dat het potentieel veel meer informatie kan opslaan dan een chip, waarmee je afrekent met de ruimtebeperkingen van conventionele computers. Tot op heden zijn bio-organische computers grotendeels theoretische concepten gebleven, maar dit begint langzaam te veranderen. Een aantal recente doorbraken wijzen erop dat bio-organische computers met praktische real-life toepassingen toch dichterbij zijn dan we aanvankelijk dachten.
Revolutionaire methode maakt gebruik van een virus om snellere computers te ontwikkelen
Een team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en de Singapore University of Technology and Design (SUTD) hebben onlangs aangekondigd een baanbrekende ontdekking te hebben gedaan waarmee we op een dag veel snellere en efficiëntere computers kunnen ontwikkelen. In een studie gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift van ACS Applied Nano Materials, beschrijven de onderzoekers een methode waarbij een virus gebruikt wordt om een efficiënter type computergeheugen te creëren.
Het idee is om de milliseconden tijdvertragingen terug te dringen die optreden tijdens de overdracht en opslag van informatie tussen een traditionele RAM-chip (Random Access Memory) en een harde schijf. Eerder hebben onderzoekers geprobeerd dit te bereiken door geheugen voor faseverandering te introduceren, waarmee je kunt schakelen tussen amorfe en kristallijne toestanden met behulp van een materiaal van het binaire type zoals galliumantimonide. Hierdoor krijgt het faseveranderingsgeheugen een hogere opslagcapaciteit dan een harde schijf, terwijl dezelfde snelheden kunnen worden behaald als een RAM-chip. Het probleem met galliumantimonide is echter dat het het stroomverbruik verhoogt en de neiging heeft om materiaalscheiding te ondergaan bij temperaturen van ongeveer 345 graden Celsius. Het huidige productieproces van geïntegreerde schakelingen kan temperaturen van bijna 400 graden Celsius bereiken.
“Ons onderzoeksteam heeft een manier gevonden om dit obstakel te overwinnen met behulp van tiny wire technology”, vertelt assistent-professor Desmond Loke van SUTD. Met behulp van een virus dat bekendstaat als M13-bacteriofaag, wisten de onderzoekers een lage temperatuurconstructie met kleine germanium-tin-oxidedraden en geheugen te realiseren, waardoor toekomstige computers snelheden zouden kunnen bereiken waar we nu alleen nog maar van dromen. Loke vertelt: “met deze mogelijkheid zouden we de milliseconde opslag- en overdrachtsvertragingen kunnen elimineren, zodat de moderne informatica verder kan ontwikkelen”.
Onderzoekers gebruiken CRISPR om een biosynthetische dual-core computer te creëren in menselijke cellen
De CRISPR-genbewerkingstechniek is een van de meest controversiële technologieën van de afgelopen tijd. CRISPR heeft echter op allerlei gebieden al een breed scala aan toepassingen gevonden. We kunnen er bijvoorbeeld genetische ziekten mee uitroeien en er smakelijkere, langer houdbare en pest-resistente gewassen mee creëren. En nu kunnen we ook synthetische biologie aan deze lijst toevoegen. Een team van onderzoekers van ETH Zürich hebben deze genbewerkingstechniek namelijk gebruikt om functionele dual-core biocomputers te bouwen – in menselijke cellen.
Om dit te bereiken, moesten de onderzoekers eerst een aangepaste versie creëren van het CRISPR-Cas9-systeem. In plaats van in het genoom te knippen, gebruikt deze gemodificeerde versie een speciale variant van het Cas9-eiwit dat werkt als een processor om input te lezen die wordt geleverd door gids-RNA-sequenties, de expressie van een bepaald gen te reguleren en een bepaald eiwit als output te maken. Door CRISPR-Cas9-componenten van twee verschillende bacteriën te gebruiken, wisten de onderzoekers bovendien twee processorkernen in één enkele cel te integreren, waardoor de eerste biologische dual-core processor ter wereld ontstond.
Dit soort computers heeft een aantal nuttige potentiële toepassingen, waaronder het diagnosticeren en behandelen van ziekten. Ze kunnen bijvoorbeeld worden geprogrammeerd om biologische signalen in het lichaam te detecteren, zoals bepaalde metabolische producten of chemische ‘boodschappers’. Afhankelijk van welke biomarkers in het lichaam aanwezig zijn, zouden de biocomputers vervolgens een specifiek diagnostisch molecuul of farmaceutische stof kunnen creëren. “Stel je micro-weefsel voor met miljarden cellen, ieder met een eigen dual-core processor. Zulke ‘computerorganen’ zouden theoretisch rekenkracht kunnen bereiken die veel groter is dan die van een digitale supercomputer en slechts een fractie van de energie gebruiken”, zegt Martin Fussenegger, hoogleraar biotechnologie en bio-engineering aan het Department of Biosystems Science and Engineering aan ETH Zürich en hoofdonderzoeker van het project.
De eerste herprogrammeerbare DNA-computer is een feit
Theoretisch zouden DNA-computers de volgende evolutionaire stap in de wereld van de computers vertegenwoordigen. Ze beloven namelijk enorme parallelle computerarchitecturen van ongekende snelheid en kracht. De realiteit blijkt echter enigszins anders te zijn. De DNA-computers die tot nu toe zijn gebouwd konden bijvoorbeeld maar één algoritme uitvoeren, waardoor het nut ervan aanzienlijk werd beperkt. Maar daar zou binnenkort wel eens verandering in kunnen komen. Een team van onderzoekers onder leiding van computerwetenschapper David Doty van UC Davis publiceerde onlangs een artikel in het tijdschrift Nature. Daarin beschrijven ze een methode die een eenvoudige trigger gebruikt om dezelfde basisset DNA-moleculen een aantal verschillende algoritmen te laten draaien, waardoor in wezen een herprogrammeerbare DNA-computer ontstaat.
Het idee achter DNA-computers is elektrische signalen en silicium – de basis van conventionele elektronische computers – te vervangen door chemische bindingen en nucleïnezuur om biomoleculaire software te maken. Voorheen moesten de DNA-sequenties die nodig waren om een algoritme te creëren die de gewenste DNA-structuur moest vormen, zorgvuldig vervaardigd worden. Maar nu wisten de onderzoekers een systeem te ontwerpen dat dezelfde delen DNA kon dwingen verschillende DNA-structuren te vormen door verschillende algoritmen te produceren.
De onderzoekers gebruikten eerst de DNA-origami-techniek om een opgevouwen stuk DNA te maken dat zou fungeren als het zaadje dat de algoritmische assemblagelijn initieert. Ongeacht het algoritme worden de wijzigingen slechts aangebracht in een paar kleine reeksen in het zaad, terwijl het zaad tijdens het proces zelf grotendeels ongewijzigd blijft. De onderzoekers creëerden bovendien 355 DNA-’tegels’, elk samengesteld uit 42 nucleobasen. Deze ‘tegels’ kunnen in verschillende opstellingen worden gecombineerd om verschillende algoritmen te produceren. De onderzoekers konden dit systeem vervolgens gebruiken om 21 verschillende algoritmen te maken die diverse taken kunnen uitvoeren, zoals patronen genereren, veelvouden van drie herkennen, tot 63 tellen en een leider kiezen.
Hoewel het onderzoek zich nog in een vroeg stadium bevindt, zijn er enorm veel potentiële toepassingen voor herprogrammeerbare DNA-computers. Denk bijvoorbeeld aan het creëren van moleculaire robots voor medicijnafgifte. “Met dit soort moleculaire algoritmen kunnen we op een dag elk complex object met behulp van een algemeen programmeerbare tegelset op nanoschaal assembleren, net zoals we levende cellen in een botcel of neuroncel kunnen assembleren, gewoon door te selecteren welke eiwitten tot expressie worden gebracht”, zegt Petr Sulc, een universitair docent aan het Biodesign Institute van de Arizona State University.
Zijn bio-organische computers een levensvatbaar alternatief voor apparaten op siliciumbasis?
In de afgelopen jaren lijken bio-organische computers steeds meer een potentieel alternatief voor onze huidige elektronische apparaten. Met bio-organische computers zouden we ongeëvenaarde vooruitgang kunnen boeken op het gebied van computersnelheid, efficiëntie, verwerkingskracht en opslagmogelijkheden. Het is echter nogal lastig gebleken om dit idee in realiteit om te zetten en het meeste onderzoek met bio-organische computers staat dan ook nog in de kinderschoenen.
Hoewel sommige onderzoekers prototypen wisten te ontwikkelen die kunnen dienen als proof of concept, zal het waarschijnlijk nog jaren duren voordat we een bio-organische computer zullen zien met praktische, real-life toepassingen. Nu het ontwikkelingstempo van onze huidige computers lijkt te vertragen en de wet van Moore zijn einde nadert, is het concept van bio-organische computers echter zeker de moeite van het verder ontwikkelen waard – het zou een nieuwe fase in de evolutie van computers kunnen inluiden.
