Een server in uw computernetwerk kan er in 2040 uitzien als een goudviskom, een klein aquarium of misschien wel een kop soep. We gaan er dan even van uit dat tegen die tijd het ‘droge computen’ is vervangen door het ‘natte computen’. Het inlezen, bewaren en bewerken van data gebeurt dan niet meer door chips en microvoltages maar door veel snellere computers die gebruik maken van DNA-moleculen in oplossingen.
Ook voor opslag van informatie zijn niet langer enen en nullen in gebruik; dit wordt opgeslagen in DNA-sequenties. Het geheugen van deze computers is ongelimiteerd en het energiegebruik zo goed als nul. Belangrijk voordeel van deze computers is dat ze niet crashen. Het nadeel? Ze kunnen lelijke vlekken maken in de vloerbedekking.
Op een warme zomernacht in 1993 zit een Amerikaanse computerexpert en bioloog Leonard Adleman plotseling rechtop in zijn bed. Een biologisch proces houdt hem uit de slaap. Hij is gefascineerd door het verschijnsel dat het enzym polymerase in staat is een DNA-keten te ‘lezen’ en op basis van deze informatie een tweede, complementaire DNA-keten te maken. DNA-ketens zijn opgebouwd uit alle mogelijke combinaties van de vier bouwstenen adenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C). Omdat deze vier letters op alle mogelijke manieren aan elkaar kunnen vastzitten, bestaan er miljarden mogelijke DNA-ketens. ATTGAACC is een willekeurig voorbeeld van zo’n keten. Polymerase kan zo’n keten lezen en een complementaire keten maken waarbij iedere C vervangen wordt door G, iedere G door C, iedere A door T en iedere T door A. Deze ’truc’ van polymerase vormt de basis van de celdeling en dus de basis voor het leven. Maar Adleman denkt even iets verder. "Verdorie", zegt hij tegen zijn vrouw, "het is net een computer."
Turingmachine
Adleman ziet tijdens zijn slapeloze nacht een overeenkomst tussen de manier waarop DNA en polymerase interacteren en het functioneren van een Turing-machine, een model voor een computer die de Britse wiskundige Alan Turingin 1936 beschreef.
Eén versie van de Turing-machine bestaat uit een inputtape, een outputtape en een controlemechanisme dat de inputtape leest en tegelijkertijd informatie schrijft op de outputtape. Voor Adleman geestesoog is de input tape een bestaande DNA-keten, het controlemechanisme is het enzym polymerase, en de outputtape is de complementaire DNA-keten. Adleman concludeert dat de Turing-machine al miljoenen jaren geleden door de natuur is gemaakt. Bovendien realiseert hij zich dat in één buisje met DNA zo’n beetje alle kennis van de wereld kan worden opgeslagen.
Adleman laat het niet bij een idee. Hij besluit zelf een DNA-computer te bouwen en deze een probleem te laten oplossen. Het probleem dat zijn computer moet oplossen is het probleem van de reizende koopman. Vertaald naar de Lage Landen luidt dat probleem zo. Een koopman moet Amsterdam, Utrecht, Rotterdam, Breda, Antwerpen, Gent en Brussel bezoeken. Hij moet beginnen in Amsterdam en eindigen in Brussel waarbij hij onderweg alle steden niet meer dan één keer mag aandoen. Tussen de steden bestaan echter slechts veertien wegen met uitsluitend eenrichtingsverkeer. Bestaat er een manier om het traject zo af te leggen dat hij alle steden slechts één keer bezoekt?
Efficiënt
Adleman kiest voor dit ‘koopmanprobleem’ – bedacht door de negentiende-eeuwse Ierse astronoon William Rowan Hamilton – omdat er nooit een algoritme is gevonden die een efficiënte en dus snelle oplossing biedt. Een conventionele computer doet er wel honderd jaar over om dit probleem op te lossen als de reizende koopman zo’n honderd steden moet bezoeken langs tweehonderd wegen. De computer onderzoekt namelijk als een dommekracht één voor één alle mogelijke oplossingen net zo lang tot hij de juiste heeft gevonden. In theorie kan een DNA-computer het probleem – ook als er wel honderd steden zijn – in een paar seconden oplossen. Een DNA-computer onderzoekt de oplossingen namelijk niet één voor één, maar allemaal tegelijkertijd.
Om het probleem op te lossen wijst Adleman iedere stad in het probleem een willekeurige DNA-keten toe. Amsterdam wordt ACTTGCAG en Brussel is TCGGACTG. Vervolgens krijgt ieder traject tussen twee steden een DNA-keten die is opgebouwd uit de eerste helft van het vertrekpunt en de tweede helft van de bestemming. Het traject Amsterdam-Brussel krijgt dan de keten ACTTACTG. Vervolgens laat Adleman alle DNA-ketens van de steden en de trajecten synthetisch aanmaken en vermengt deze in een reageerbuis. Doordat de ketens onder invloed van enzymen met elkaar reageren, ontstaan binnen een paar seconde miljarden nieuwe DNA-ketens, ofwel alle oplossingen van het probleem: de goede en de foute. Adleman moet nu alleen nog een manier vinden om die paar DNA-ketens die de juiste oplossing weergeven te scheiden van de miljarden ketens die een foute oplossing voorstellen.
DNA-soep
Moeilijk? Jazeker, maar het is mogelijk door het bewerken van de DNA-soep met verschillende enzymen. Bijvoorbeeld door toevoeging van bepaalde enzymen (met name polymerase) kan Adleman de hoeveelheid DNA-ketens die beginnen met de bouwstenen ACTT, de letters van Amsterdam, en eindigen met ACTG, de laatste vier letters van Brussel, laten vermenigvuldigen. Het aantal DNA-ketens dat begint met Amsterdam en eindigt met Brussel neemt dan toe, een voorwaarde voor de juiste oplossing voor het probleem van de koopman. Op soortgelijke wijze – door toevoegen van andere enzymen die andere voorwaarden belichamen – kunnen ketens die een traject in de verkeerde richting afleggen, worden vernietigd. Na een groot aantal chemische bewerkingen houdt Adleman een buisje over waarin uitsluitend DNA-moleculen zitten die de juiste oplossing van het probleem belichamen. Wanneer er geen DNA meer in de buis zit – ofwel dat alle ketens zijn geëlimineerd – dan betekent dit dat er geen juiste oplossing voor deze specifieke versie van het probleem bestaat.
Universitair onderzoek
De publicatie van Adlemans experiment in 1994 veroorzaakte een schok in de wereld van computing en biologie. Sindsdien is aan verschillende universiteiten onderzoek gestart. DNA-computing is in theorie iets heel moois maar in de praktijk blijkt het een hoop tijdrovend geknoei met synthetische DNA en enzymen in reageerbuisjes. In januari 2000 rapporteert een groep van de Universiteit van Wisconsin dat ze erin geslaagd zijn droge DNA – DNA-ketens die met een laagje goud worden aangebracht op een soort chip – een probleem te laten oplossen. Een mogelijk voordeel hiervan is dat dergelijke chips met DNA erop gemakkelijker in massaproductie kan worden gemaakt dan een natte DNA computer.
Het zal volgens insiders nog een hele tijd duren voordat DNA-computing praktische toepassingen kan vinden. Het wachten is nu op een killer-app, een toepassing waarbij DNA geschikter is dan een digitale computer. Zo’n toepassing zou bijvoorbeeld kunnen liggen op het terrein van encryptie, waarbij grote getallen moeten worden gecodeerd en gedecodeerd. Net als met het probleem van de reizende koopman kan een DNA-computer dit in principe sneller dan een conventionele computer. Voorlopig hoeft u echter nog niet bang te zijn dat uw mainframe op een kwade morgen als een plas op de vloer zal liggen.
