Thomas Hinze

Biologische Computer nach dem Vorbild der Natur bieten eine interessante Alternative zu derzeit etablierten Rechnerarchitekturen, Programmierparadigmen und algorithmischen Konzepten. Mit dem zunehmenden Verständnis molekularbiologischer Prozesse lässt sich die Idee, Biopolymere als Datenträger einzusetzen und gezielt zu verändern, immer besser verwirklichen. Darauf basierende biomolekulare Rechentechnik in vitro verspricht hohe Speicherkapazität und -dichte, Miniaturisierung, Biokompatibilität sowie eine massiv datenparallele Informationsverarbeitung. Die Lehrveranstaltung gibt einen interdisziplinären Überblick über den gegenwärtigen Kenntnisstand in Theorie und Praxis und thematisiert auch die dabei zu bewältigenden Herausforderungen.

Anhand kleiner Projekte wollen wir Modelle und Algorithmen molekularer Computer erschließen. Am Ende der Veranstaltung werden die Ergebnisse in einem Mini-Workshop präsentiert.

• Chemische Reaktionssysteme als Analog- und Digitalcomputer
• Molekulare Operatoren und Algorithmenbausteine, Turing-Äquivalenz
• DNA-Computing: Rechnen auf Basis polymerer Primär- und Sekundärstrukturen
• Protein-Computing: Rechnen auf Basis molekularer Tertiär- und Quartärstrukturen
• Membran-Computing: Rechnen mit dynamischen Raumstrukturen und veränderbaren Reaktionssystemen
• Modelle und Programmiersprachen für molekulare Computer
• Labornahe Simulation molekularer Algorithmen

Biologische Mechanismen der Informationsverarbeitung gelten als zuverlässig, anpassungsfähig und effizient. Sie beruhen größtenteils auf molekularen Interaktionen. Moleküle dienen hierbei als Speichermedium und übernehmen die Rolle des Datenträgers, auf dem feinabgestimmte biochemische Reaktionen operieren. Daraus resultiert eine alternative Hardware im Nanometermaßstab, deren ingenieurtechnische Erschließung über die Bionik hinaus mannigfaltige Anwendungen verspricht, die die Informatik in vielerlei Hinsicht bereichern und weiterentwickeln können. Aufbauend auf Grundlagen chemischer Reaktionen und kinetischen Gesetzmäßigkeiten ihres zeitlichen Ablaufs werden zahlreiche Beispiele chemischer Analog- und Digitalcomputer vorgestellt und diskutiert. Die Palette reicht dabei von biologischen Uhren als chemische Regelkreise über molekulare Arithmetik bis hin zu Zellsignalnetzwerken, die als endliche Automaten oder programmierbare Registermaschinen arbeiten. Die Veranstaltung gibt einen breiten Überblick über das Wissensgebiet und wendet sich gleichermaßen an Einsteiger wie Fortgeschrittene.

"In jedem Lebewesen steckt ein leistungsfähiger Computer." Diese Aussage mag zunächst befremdlich erscheinen, denn mit dem Begriff Computer verbindet man im Allgemeinen ein technisches System, zweckbestimmt konstruiert aus unbelebten Komponenten, die über vordefinierte Schnittstellen informationstragende Signale austauschen und verarbeiten. Dennoch gilt die Fähigkeit zur Informationsverarbeitung auch als ein Merkmal des Lebens. Lebewesen erreichen mitunter erstaunliche sensorische Leistungen und zeigen häufig ein komplexes, von Sinneseindrücken und Erfahrungen ebenso wie von ererbten und erlernten Mustern geprägtes Verhalten. Die Auswertung entsprechender Signale und das Generieren darauf abgestimmter Antwortmuster lässt sich im informatischen Sinne mit einem Berechnungsvorgang vergleichen. Lebewesen als ganzes oder ausgewählte Bestandteile wie zum Beispiel einzelne Zellen oder Funktionsstrukturen wie Stoffwechsel- oder Signalwege kann man in diesem Kontext als Systeme auffassen. Ihnen ist gemeinsam, dass Moleküle (wie DNA, RNA, Proteine oder weitere komplexe Biopolymere) als Datenträger und Speichermedium dienen, auf denen chemische Reaktionen oder physikalische Prozesse operieren. Entsprechende Reaktionssysteme zeichnen sich häufig durch eine Speicherdichte, Kompaktheit und Regenerationsfähigkeit aus, die das Leistungsvermögen aktueller elektronischer Rechentechnik deutlich übertrifft. Wir wollen uns im Seminar dem faszinierenden Wissensgebiet des Molecular Computing zuwenden, uns algorithmische Ideen und erstaunliche evolutionär entstandene Problemlösungen mit Computern der Natur erschließen. Die Auseinandersetzung mit der Informationsverarbeitung lebender Organismen öffnet den Blick für vielschichtige Anwendungen an der Schnittstelle zwischen Informatik und den Wissenschaften des Lebens.

• Chemisches Rechnen: Reaktions- und Diffusionssysteme als Analog- und Digitalcomputer
• Zellsignalnetzwerke: Rechnen mit wandelbaren Proteinstrukturen
• Genregulationsnetzwerke: Genetische Schaltkreise und ihre Interaktionsfähigkeit
• DNA-Computing und Gene Assembly: Rechnen durch Kombination und Rekombination
• Membran- und zellbasiertes Computing: Mikroflusscomputer mit verteilten und selektiv durchlässigen Reaktionsräumen
• Neuronales Computing: Rechnen durch Lernen, Vergleichen und Bewerten
• Sinne, Sensoren und Aktoren: Prinzipien der Rezeption und Kommunikation auf molekularer Ebene
• Evolutionäres Computing: Eine universelle Heuristik
• Amorphes Computing: Rechnen durch selbstorganisierendes Schwarmverhalten

Biologische Mechanismen der Informationsverarbeitung gelten als zuverlässig, anpassungsfähig und effizient. Sie bergen eine Fülle interessanter Ideen, deren ingenieurtechnische Erschließung mannigfaltige Anwendungen verspricht. Von der medizinischen Diagnostik und Therapeutik über Biosensoren bis hin zu selbstlernenden und -organisierenden Systemen reicht die Palette der Einsatzgebiete. Computingkonzepte lebender Organismen möglichst vollständig zu verstehen, gehört zu den derzeitigen Forschungsaufgaben der Systembiologie, die vorwiegend durch experimentelle Beobachtung, Modellierung, Simulation und mathematische Analyse angegangen werden. Die Lehrveranstaltung gibt einen Überblick über Facetten des Wissensgebietes und vermittelt eine ausgewogene Mischung zwischen theorie- und praxisorientierten Inhalten:

• Biologische Reaktionsnetzwerke als Recheneinheiten
• Genetische Schaltkreise
• Membran- und zellbasiertes Computing
• Neuronales Computing
• Gene Assembly
• Evolutionäres Computing
• Amorphes Computing

Oszillationen, periodisch wiederkehrende Signalverläufe, begegnen uns häufig in Natur und Technik. In der Informatik dienen sie vorwiegend als Taktsignale und haben die Aufgabe, unterschiedlich schnell ablaufende Prozesse zu synchronisieren. Die Nachrichtentechnik profitiert von elektromagnetischen Trägerschwingungen, auf die Nutzsignale aufmoduliert werden - die Grundlage jeder Radio- und Fernsehübertragung. Die belebte Natur hat den Nutzen von Oszillationen schon Jahrmillionen vorher entdeckt und weithin ausgelotet. Sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene finden sich zahlreiche verblüffende Beispiele dafür, wie Oszillationen vorteilhaft innerhalb und zwischen Organismen zur Anwendung kommen. Besonders bekannt ist der Biorhythmus, ein tagesperiodischer Zeitgeber, der zahlreiche nachgeschaltete Prozesse feingranular anstößt. Beim Menschen steuert der Biorhythmus unter anderem Müdigkeit und Blutdruck. Je nach Einsatzgebiet beobachtet man eine enorme Streubreite der Periodenlängen biologischer Oszillationen. So liegen Calciumoszillationen und Spikes der Nervenzellen hier zumeist im Millisekundenbereich, während langperiodische Oszillationen durchaus einen 17-Jahres-Zyklus im Auftreten von "Insektenschläfer"-Populationen umfassen können. Im Seminar "Oszillationen als Träger biologischer Signale" wollen wir uns dem spannenden Wissensgebiet der Chronobiologie zuwenden und dabei vielleicht auch so manches Neue über uns selbst lernen. Die Systembiologie hat Oszillationen als lohnendes Forschungsfeld dynamischer Systeme entdeckt, und die Medizin beginnt, sich für die Ergebnisse zu interessieren.

Biologische Computer nach dem Vorbild der Natur bieten eine interessante Alternative zu derzeit etablierten Rechnerarchitekturen, Programmierparadigmen und algorithmischen Konzepten. Mit dem zunehmenden Verständnis molekularbiologischer Prozesse lässt sich die Idee, Biopolymere als Datenträger einzusetzen und gezielt zu verändern, immer besser verwirklichen. Darauf basierende biomolekulare Rechentechnik in vitro verspricht hohe Speicherkapazität und -dichte, Miniaturisierung, Biokompatibilität sowie eine massiv datenparallele Informationsverarbeitung. Die Lehrveranstaltung gibt einen interdisziplinären Überblick über den gegenwärtigen Kenntnisstand in Theorie und Praxis und thematisiert auch die dabei zu bewältigenden Herausforderungen.

• Einführung und Adleman-Experiment
• Ausgewählte Labortechniken - Operationen auf DNA und RNA
• Biomolekulare Algorithmenbausteine und Algorithmen in vitro
• Modelle und Programmiersprachen für molekulare Computer
• Labornahe Simulation molekularer Computer