Wetenschappers in Europa en Canada hebben voor het eerst aangetoond dat een computer met biologische componenten een wiskundig probleem kan oplossen. Ze laten eiwitten, aangedreven door moleculaire motortjes, bewegen door een doolhof van kanaaltjes. De uitgang van het doolhof levert de uitkomst van een wiskundig probleem. Het principe is goed op te schalen en biedt uitzicht op een zuinige en snelle manier van parallel rekenen.
De biologische computer kan uitkomst bieden bij ingewikkelde wiskundeproblemen. Neem het beruchte probleem van de handelsreiziger, die zo efficiënt mogelijk een aantal steden moet aandoen en weer wil terugkeren in zijn thuisstad. Of cryptografie, waarbij gigantische cijfers in priemgetallen moeten worden ontbonden.
Bij dit soort vraagstukken schieten conventionele computers tekort. Die kunnen immers maar één wiskundige handeling tegelijk uitvoeren. Hoe meer berekeningen er nodig zijn, hoe langer het duurt.
Parallel rekenen
Daarom werken wetenschappers met man en macht aan parallel computing, systemen die tegelijk meerdere berekeningen kunnen uitvoeren. De beoogde kwantumcomputer is één optie, maar erg snel gaan de ontwikkelingen in dat vakgebied niet.
Een internationaal team van wetenschappers presenteert in het tijdschrift PNAS nu een heel andere aanpak (artikel Parallel computation with molecular-motor-propelled agents in nanofabricated networks). Het laat eiwitten, die worden aangedreven door nanomotortjes, door een doolhof bewegen. Dit regelmatige netwerk van kanalen is opgebouwd uit twee typen elementen: een zogeheten split en een pass. Bij de pass gaat het wandelende eiwitje (praktisch) altijd rechtdoor; bij de split gaat hij links of rechts, met een 50-50 kans.
Veel eiwitjes op pad
beneden doorheen lopen. Te zien zijn de rechtdoorgangen
en de splitsingen. Vanuit de groene lobben worden
de eiwitten toegevoerd. Illustratie: Nicolau Jr. et al. (PNAS).
Elk eiwitje komt ergens onderaan uit het doolhof. Door nu grote aantallen eiwitjes te laten lopen, rollen uiteindelijk alle mogelijke antwoorden uit het betreffende optimalisatieprobleem. ‘We kunnen veel eiwitjes tegelijk op pad sturen’, vertelt onderzoekscoördinator Heiner Linke van de Lunds Universitet in Zweden in een persbericht van zijn universiteit.
Het genoemde “nanodoolhof” zit in een chip van 1,5 cm2 groot. De kanalen zijn zo’n 200 nm breed en zijn goed te vervaardigen met standaard lithografische technieken. De lopende stukjes eiwit zijn opgebouwd uit actine (een helixvormig vezeltje) en myosine (de motor). Dit tweetal zorgt in het menselijk lichaam voor de samentrekking van spiercellen. Net als in het lichaam haalt het zijn energie uit ATP, dé brandstof voor cellen.
Energiezuinig
Dit gebruik van bestaande biologische componenten maakt de biocomputer erg energiezuinig. ‘Hij gebruikt nog geen 1 % van de energie die een gewone computer gebruikt voor een berekening’, aldus Linke. Tel daarbij op dat de gebruikte materialen goedkoop zijn en Linke ziet binnen een jaar of tien de praktische toepassing van biocomputers. ‘Kwantumcomputers kunnen op termijn krachtiger worden dan biocomputers, maar er zijn nog behoorlijk wat praktische problemen om ze te laten werken.’
Openingsfoto: Flickr/Creative Commons.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.