Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weltweit erster Parallelrechner auf Grundlage von biomolekularen Motoren

26.02.2016

Bahnbrechende Veröffentlichung über Entwicklung eines biologischen Rechners, der auf nanotechnologisch hergestellten Kanälen basiert und mit Hilfe von Protein-Filamenten, angetrieben durch Molekularmotoren, parallele Rechenoperationen ausführen kann.

Eine Publikation, welche diese Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, beschreibt einen neuartigen Ansatz für einen Parallel-Rechner, welcher auf einer Kombination von Nanotechnologie mit biomolekularen Motoren basiert und auf die Lösung mathematischer Probleme spezialisiert ist, die ein herkömmlicher Rechner nur schwer lösen kann.


Fig. 3b

Split junction overview. Illustration of protein filaments (red) propelled by molecular motors (green) arriving at a junction where they perform a calculation operation (adding 5 or adding 0).

Beispiele für solche Probleme sind das Optimieren von Schaltkreisen, Proteinfaltung oder Routenplanung. Die bahnbrechende Methode wurde von Forschern der Technischen Universität Dresden und des Max-Planck-Institutes für Molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden, in Kollaboration mit internationalen Partnern aus Kanada, England, Schweden, den USA und den Niederlanden entwickelt.

Herkömmliche Computer führten zu beachtlichen technologischen Entwicklungen in den vergangenen Jahrzehnten. Allerdings limitiert deren lineares Vorgehen – also das Lösen von Aufgaben nacheinander – die Berechnung kombinatorischer Probleme wie zum Beispiel Proteindesign und –faltung, optimierte Schaltkreise oder Routenplanung. Das liegt daran, dass bei diesen Problemen die Zahl der nötigen Berechnungen exponentiell mit der Größe des zu lösenden Problems steigt.

Dies führt dazu, dass die schiere Anzahl an Rechenoperationen einen herkömmlichen, sequentiell rechnenden Computer schon bei relativ kleinen Problemen überfordert. Paralleles Rechnen kann solche Probleme prinzipiell lösen, allerdings hat es noch keine der bislang entwickelten Methoden zur Anwendungsreife gebracht.

Der von den Wissenschaftlern nun beschriebene Ansatz zielt darauf ab, dies zu ändern, indem etablierte Nano-Fertigungsmethoden mit der Verwendung von biomolekularen Motoren der Zelle kombiniert werden. Diese Motoren sind hochgradig energie-effizient und können von Natur aus hochparallel arbeiten.

Die Methode wurde von den Forschern am Beispiel eines klassischen kombinatorischen Problems getestet. Das zu lösende Problem wurde mittels eines Netzwerks von Nanokanälen auf einem Trägersubstrat ‚codiert‘ (Abb. 1a). Dazu musste zunächst ein mathematisch berechnetes, geometrisches Netzwerk entworfen werden, welches die Problemstellung geeignet repräsentiert. Im nächsten Schritt wurde dieses Kanal-Netzwerk mit Hilfe von Lithographie – einer herkömmlichen Methode zur Herstellung von Siliziumchips – physisch nachgebaut.

Dieses Netzwerk wird nun von vielen Protein-Filamenten (hier Aktinfilamente oder Mikrotubuli) zeitgleich durchlaufen, welche von Motorproteinen (hier Myosin oder Kinesin) am Boden der Kanäle angetrieben werden (Abb. 3a). Der Aufbau der Kreuzungen zwischen den Kanälen des Netzwerkes bewirkt, dass die Proteinfilamente alle möglichen Lösungen des Problems finden (Abb. 1b).

Dafür sind lediglich zwei verschiedene Typen von Kreuzungspunkten nötig: ‚Verteilungskreuzungen‘ (Abb. 2a und Abb. 3b) verteilen die Filamente auf alle möglichen Lösungen und ‚Durchlaufkreuzungen‘ (Abb. 2b und Abb. 3c) sorgen dafür, dass die Filamente einen korrekten Lösungsweg nicht verlassen. So erreichten die Wissenschaftler ein ‚intelligentes‘ Netz, welches die Kraft biomolekularer Motoren für grundlegende Rechenaufgaben nutzbar macht.

Die benötigte Zeit, um solche kombinatorischen Probleme mit einer Größenordnung N im parallelen Rechnen zu lösen, potenziert sich ungefähr auf N2. Dies ist eine drastische Verbesserung gegenüber der exponentiell steigenden Zeit (2N), die sich für die Berechnung mit einem herkömmlichen Computer ergibt. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese neue Methode voll anpassbar an existierende Technologien ist und um Größenordnungen weniger Energie benötigt als konventionelle Rechner, welche durch die entstehende Hitzeentwicklung grundlegend in ihrer Leistung limitiert werden.


Informationen für Journalisten:
Prof. Dr. Stefan Diez
Technische Universität Dresden
ZIK B CUBE - Center for Molecular Bioengineering
Tel.: +49 (0) 351 463 43010
Fax: +49 (0) 351 463 40322
stefan.diez@tu-dresden.de

Dr. Till Korten
Technische Universität Dresden
ZIK B CUBE - Center for Molecular Bioengineering
Tel.: +49 (0) 351 210 2662
till.korten@tu-dresden.de

Press Images

Image Credits: Till Korten, B CUBE; Mercy Lard, Lund University; Falco van Delft, Philips Research

Weitere Informationen:

https://cfaed.tu-dresden.de/press-releases-201/worlds-first-parallel-computer-ba...

Matthias Hahndorf | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Vom Gehirn zur Robotik: Algorithmen verarbeiten Sensordaten wie das Gehirn
25.09.2017 | Universität Ulm

nachricht Ein stabiles magnetisches Bit aus drei Atomen
21.09.2017 | Sonderforschungsbereich 668

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste lichtgetriebene Stromquelle der Welt

Die Stromregelung ist eine der wichtigsten Komponenten moderner Elektronik, denn über schnell angesteuerte Elektronenströme werden Daten und Signale übertragen. Die Ansprüche an die Schnelligkeit der Datenübertragung wachsen dabei beständig. In eine ganz neue Dimension der schnellen Stromregelung sind nun Wissenschaftler der Lehrstühle für Laserphysik und Angewandte Physik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) vorgedrungen. Ihnen ist es gelungen, im „Wundermaterial“ Graphen Elektronenströme innerhalb von einer Femtosekunde in die gewünschte Richtung zu lenken – eine Femtosekunde entspricht dabei dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde.

Der Trick: die Elektronen werden von einer einzigen Schwingung eines Lichtpulses angetrieben. Damit können sie den Vorgang um mehr als das Tausendfache im...

Im Focus: The fastest light-driven current source

Controlling electronic current is essential to modern electronics, as data and signals are transferred by streams of electrons which are controlled at high speed. Demands on transmission speeds are also increasing as technology develops. Scientists from the Chair of Laser Physics and the Chair of Applied Physics at Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) have succeeded in switching on a current with a desired direction in graphene using a single laser pulse within a femtosecond ¬¬ – a femtosecond corresponds to the millionth part of a billionth of a second. This is more than a thousand times faster compared to the most efficient transistors today.

Graphene is up to the job

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Im Spannungsfeld von Biologie und Modellierung

26.09.2017 | Veranstaltungen

Archaeopteryx, Klimawandel und Zugvögel: Deutsche Ornithologen-Gesellschaft tagt an der Uni Halle

26.09.2017 | Veranstaltungen

Unsere Arbeitswelt von morgen – Polarisierendes Thema beim 7. Unternehmertag der HNEE

26.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Europas erste Testumgebung für selbstfahrende Züge entsteht im Burgenland

26.09.2017 | Verkehr Logistik

Nerven steuern die Bakterienbesiedlung des Körpers

26.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mit künstlicher Intelligenz zum chemischen Fingerabdruck

26.09.2017 | Biowissenschaften Chemie