Wissenschaftler schaffen erstes „denkendes“ neuronales Netz aus DNA

Das neuronale Netz besteht aus vier künstlichen Neuronen mit 112 DNA-Strängen (Bild: Caltech).

Ausgehend von der begrenzten Intelligenz einzelliger Organismen haben Forscher am California Institute of Technology (Caltech) ein rudimentäres neuronales Netz geschaffen. Sie bezeichnen es als erstes künstliches neuronales Netz aus DNA-Molekülen und stellen heraus, dass es Fragen korrekt beantworten kann. Aus 112 synthetisch gebildeten DNA-Strängen formten sie vier Neuronen – quantitativ weit entfernt von einem menschlichen Gehirn, das über rund 100 Milliarden Neuronen verfügt.

Lulu Qian und ihre Kollegen beschreiben es in ihrem Forschungsbericht in Nature dennoch als ein Beispiel für „molekulare Systeme, die ein autonomes, gehirnähnliches Verhalten beweisen“. Das Netz besteht aus synthetisierten DNA-Strängen, die im Wasser treiben und sich anderen Strängen mit komplementären Basenpaarstrukturen anschließen und damit einen „Input“ schaffen. Findet eine solche Verbindung statt, löst sich zugleich ein DNA-Strang als „Output“.

Diese Technik erlaubte es ihnen schon früher, den bisher größten biochemischen Schaltkreis aus kleinen synthetischen DNA-Molekülen zu schaffen. Er war zu Leistungen analog zu elektronischen Transistoren auf einem Computerchip fähig und konnte Quadratwurzeln berechnen. Im aktuellen Projekt trainierte das Forschungsteam das neuronale Netz für ein Gedächtnisspiel, in dem es vier Wissenschaftler korrekt „identifizieren“ sollte aufgrund bestimmter Fragen und Aussagen – zum Beispiel, dass es sich um einen britischen Wissenschaftler handelt.

Die Spieler gaben DNA-Stränge in ein Reagenzglas, die einem unvollständigen Satz von Antworten entsprachen. Die Antwort – die Identität des richtigen Wissenschaftlers – lasen die Forscher aus Fluoreszenzsignalen. Unter 27 verschiedenen möglichen Antworten fand das DNA-„Gehirn“ jedes Mal die richtige.

Laut Caltech zeigt dieser Machbarkeitsnachweis für Mustererkennung, dass das DNA-Netzwerk über die grundlegende Fähigkeit des Denkens verfügt. Es sei jedoch sehr langsam und benötigte acht Stunden, um die Wissenschaftler im Spiel zu bestimmen. Die DNA-Stränge seien zudem nur einmal verwendbar.

Aus neuronalen DNA-Netzen könnten sich in Zukunft dennoch mächtige Anwendungen entwickeln. Denkbar sei beispielsweise der Einsatz innerhalb von Zellen zur Diagnose von Krankheiten. Die Autoren schlussfolgern in Nature: „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Kaskaden verschobener DNA-Stränge sich für autonome chemische Systeme eignen könnten – mit der Fähigkeit, die Muster von molekularen Vorgängen zu erkennen, Entscheidungen zu treffen und auf die Umwelt zu reagieren“.

Lulu Qian, Hauptautorin des Forschungsberichts, erklärt die theoretischen Grundlagen und Experimente zusätzlich mit unterhaltsamen Videoanimationen.