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The potential impact of the project results is not limited to the design of error-free software: “Practically all really interesting mathematical problems of our time cannot be computed efficiently with our current computer technology.” says Dan V. Nicolau, Ph.D. M.D., from the UK-based enterprise Molecular Sense, who had the original idea of using biomolecular motors as computers. This is the limit that the new project aims to push by using biomolecular motors as computing units: The idea is that biomolecular machines, each only a few billionth of a meter (nanometers) in size, can solve problems by moving through a nanofabricated network of channels designed to represent a mathematical algorithm (see fig. 1); an approach the scientists in the project termed “network-based biocomputation”. Whenever the biomolecules reach a junction in the network, they either add a number to the sum they are calculating or leave it out. That way, each biomolecule acts as a tiny computer with processor and memory. While an individual biomolecule is much slower than a current computer, they are self-assembling so that they can be used in large numbers, quickly adding up their computing power. The researchers have demonstrated that this works in a recent publication in the Proceedings of the National Academy of the USA (PNAS).

"We are using molecular motors of the cell that have been optimized by a billion years of evolution to be highly energy efficient nanomachines.", says Prof. Stefan Diez who is heading the participating TU Dresden research team, “and the biological computing units can multiply themselves to adapt to the difficulty of the mathematical problem.” adds Dr. Till Korten from TU Dresden, co-coordinator of the Bio4Comp project and equally contributing first author of the PNAS publication.

The research consortium will focus on developing the technology required to scale up network-based biocomputers to a point at which they are able to compete with other alternative computing approaches such as DNA computing and quantum computing. In the process, they aim to attract a larger scientific and economic community that will focus on developing the technology into a viable alternative computing approach. To do so, they have received 6.1 Million € from the Future & Emerging Technologies (FET) programme of the EU to run a highly interdisciplinary research project touching mathematics, biology, engineering, and computation.

Of this funding, 1.1 million € will go to the research group of Stefan Diez, Professor for BioNanoTools at B CUBE, a TU Dresden research institute focusing on Molecular Bioengineering, and fellow at the Max Planck Institute of Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) Dresden. The role of the group will be to modify the properties of motor proteins, such as kinesin, in order to optimize them for biocomputation, as well as to integrate them into nanofabricated devices. This work will strongly benefit from synergies and collaborations with the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), one of the current Clusters of Excellence at TU Dresden. “Optimizing the motors not only gives us ideal tools for nanotechnology, but at the same time we learn a great deal about how they work and what they do inside the cell.”, Diez says. These insights will be useful beyond the specific project goals, for example to elucidate the roles of these proteins in serious diseases such as cancer and dementia.

The project Bio4Comp (2017-2021) is funded by Horizon 2020, the EU framework program for Research and Innovation under under Grant Agreement No 732482. More information can be found on the research consortium’s webpage: www.bio4comp.eu.

Primary contact:
Stefan Diez, Professor for BioNanoTools
B CUBE – Center for Molecular Bioengineering
Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
Website: http://www.tu-dresden.de/bcube
Phone +49 (351) 463 43010
e-mail: stefan.diez@tu-dresden.de

Mathias Bäumel
E-mail: pressestelle@tu-dresden.de
Phone: +49 351 463-32427

Contact list of project partners:
Partner 1: Lund University, Lund, Sweden
Website: http://www.nano.lu.se/
Contact point: Heiner Linke, Professor of Nanophysics; Director of NanoLund, heiner.linke@ftf.lth.se. Phone: +46 46 222 4245
Kristina Lindgärde Pressansvarig vid Kommunikation och Samverkan, LTH kristina.lindgarde@kansli.lth.se Telefon: +46 46 222 07 69

Partner 2: Linné-University Kalmar, Kalmar, Sweden
Website: https://lnu.se/en/research/searchresearch/the-molecular-motor-and-bionano-group/
Contact point: Alf Månsson, professor i fysiologi, telefon 070-886 62 43
Annika Sand, pressansvarig, telefon 076-830 01 05

Partner 3: Molecular Sense Ltd., Oxford, U.K.
Website: https://molecularsense.com/
Contact point: Dan V. Nicolau, PhD. MD.

Partner 4: Bar-Ilan University, Ramat Gan, Israel
Website: http://www.eng.biu.ac.il/hillelk/
Contact point: Dr. Hillel Kugler, Email: kugler.hillel@biu.ac.il. Phone: +972-3-7384437

Partner 5: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Wissenschaften e.V.
Website: https://www.fraunhofer.de/
Contact point: Prof. Stefan E. Schulz (e-mail: stefan.schulz@enas.fraunhofer.de, phone: +49.(0)371.45001.232)

Deutsche Version

Molekulare motorbetriebene Bio-Computer

Startschuss für 6,1 Mio. Euro EU-Horizon 2020 Forschungsprojekt zur Entwicklung eines neuen Computer-Typen auf Basis von Biomolekülen

Fehler in Software oder Computerchips verursachen Abstürze von Computern oder Smartphones und ermöglichen Hackern das Stehlen von Passwörtern. Automatisierte Prüfverfahren könnten diese Probleme vermeiden. Leider steigt die dafür benötigte Rechenleistung exponentiell mit der Größe des Programmes an. Daher sind für herkömmliche Computer der Energieverbrauch, der Kühlungsbedarf und die benötigte Rechenleistung zu hoch, um große Programme zu überprüfen.
Ein vor kurzem gestartetes Forschungsprojekt hat die Entwicklung eines Bio-Computers zum Ziel, der zwei Hauptprobleme der Supercomputer von heute überwinden soll: Zum einen verbrauchen Supercomputer erhebliche Mengen elektrischen Stromes, so dass die Entwicklung mächtigerer Computer vor allem an der Kühlung der Prozessoren scheitert. Zum anderen sind heutige Computer nicht besonders gut darin, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erledigen. Der Bio-Computer auf Basis von molekularen Motoren verbraucht im Vergleich zu herkömmlichen Computern nur einen Bruchteil der Energie pro Rechenoperation. Außerdem kann er sehr viele Operationen gleichzeitig ausführen und ist daher besonders für Probleme wie die Softwareüberprüfung geeignet, bei der sehr viele Lösungen überprüft werden müssen.

Der Einfluss dieser Forschung beschränkt sich nicht auf das Design fehlerfreier Software: „Praktisch betrachtet können alle wirklich interessanten mathematischen Probleme der heutigen Zeit mit unserer derzeitigen Computertechnologie nicht effizient berechnet werden“, so Dan V. Nicolau, Ph.D. M.D. vom britischen Unternehmen MolecularSense, das die initiale Idee zur Nutzung biomolekularer Motoren als Computer hatte. Diese Grenze, ab der ein Problem zu schwierig für einen Computer wird, möchte das hier vorgestellte neue Projekt durch die Nutzung biomolekularer Motoren als Recheneinheiten hinausschieben: Die Grundidee ist, dass die – jeweils nur wenige Milliardstel eines Meters (Nanometers) kleinen – biomolekularen Maschinen Probleme lösen, indem sie sich durch ein Netzwerk winziger Kanäle bewegen.

Das per Nanofabrikation hergestellte Netzwerk repräsentiert dabei einen mathematischen Algorithmus (siehe Bild 1). Dieser Ansatz wird von den Forschern als „netzwerk-basierter Bio-Computer“ bezeichnet. Jedesmal, wenn die Biomoleküle eine Kreuzung im Netzwerk erreichen, können sie entscheiden, ob sie eine Zahl addieren oder nicht. Jedes einzelne Biomolekül fungiert so als ein winziger Computer – mit Prozessor und Arbeitsspeicher. Obwohl jedes Biomolekül für sich betrachtet viel langsamer rechnet als ein elektronischer Computer, kann die schiere Anzahl an Molekülen dank Selbstorganisation eine große Rechenleistung entwickeln.

Dieser Ansatz funktioniert im kleinen Maßstab auch schon in der Praxis, wie die Forscher in einer Publikation im wissenschaftlichen Magazin PNAS zeigen konnten. „Wir nutzen die molekularen Motoren von Zellen, die in Milliarden von Jahren der Evolution optimiert wurden, als hocheffiziente Nanomaschinen.” sagt Prof. Stefan Diez, der das teilnehmende Dresdner Forschungsteam leitet. „Die biologischen Recheneinheiten können sich selbst vermehren, um sich der Schwierigkeit des mathematischen Problems anzupassen”, ergänzt Dr. Till Korten von der TU Dresden, Mitkoordinator des Bio4Comp Projektes und gemeinsamer Erstautor der PNAS Publikation.

Das Forscherteam wird sich nun der Entwicklung der Technologie widmen, die zur Hochskalierung netzwerkbasierter Biocomputer benötigt wird. Dabei haben sich die Forscher sich zum Ziel gesetzt andere alternative Computer wie DNA-Computer oder Quantencomputer zu übertreffen. Das Forscherteam hofft, damit eine größere Gemeinschaft aus Wissenschaft und Wirtschaft anzusprechen, und so ein neues Forschungsfeld zu begründen. Um dies zu realisieren, haben sie eine Forschungsförderung des Future & Emerging Technologies (FET) Programmes der EU in Höhe von 6,1 Millionen Euro erhalten. Das geförderte Projekt ist stark interdisziplinär und bewegt sich im Spannungsfeld zwischen Mathematik, Biologie, Ingenieurwissenschaft und Informatik.

1,1 Millionen Euro der Forschungsförderung gehen an die Gruppe von Stefan Diez, Professor für BioNanoTools am B CUBE, einem Forschungsinstitut der TU Dresden, das sich der Erforschung und Entwicklung biologischer Materialien widmet. Die Gruppe von Stefan Diez wird Motorproteine der Zelle (z. B. Kinesin-1) modifizieren, um sie für ihren Einsatz in Bio-Computern und anderen nanofabrizierten Geräten zu optimieren. Dabei werden sie von einer engen Zusammenarbeit mit dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), einem der aktuellen Exzellenzcluster der TU Dresden, profitieren. „Indem wir Motorproteine optimieren, stellen wir nicht nur ideale Werkzeuge für die Nanotechnologie her – sondern lernen auch viel über ihre Funktionsweise und über ihr Verhalten innerhalb der Zelle”, so Diez. Diese Erkenntnisse werden auch über dieses Forschungsprojekt hinaus nützlich sein, da zum Beispiel auch die Rollen der Motorproteine bei Krankheiten wie Krebs oder Demenz untersucht werden können.

Das Bio4Comp Projekt (2017-2021) wird durch Horizont 2020 gefördert, das EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation (Zuschussvereinbarung Nr. 732482). Weitere Informationen finden Sie unter www.bio4comp.eu.

Hauptkontakt:

Stefan Diez, Professor für BioNanoTools,
B CUBE – Center for Molecular Bioengineering
Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
Website: http://www.tu-dresden.de/bcube
Telefon: +49 (351) 463 43010
E-Mail: stefan.diez@tu-dresden.de

Pressestelle:
Kim-Astrid Magister
E-Mail: pressestelle@tu-dresden.de
Telefon: +49 351 463-32398

Kontaktliste:

Partner 1: Lund University, Lund, Schweden
Webseite: http://www.nano.lu.se/
Kontakt: Heiner Linke, Professor für Nanophysik; Direktor  NanoLund, heiner.linke@ftf.lth.se. Telefon: +46 46 222 4245
Kristina Lindgärde Pressansvarig vid Kommunikation och Samverkan, LTH kristina.lindgarde@kansli.lth.se Telefon: +46 46 222 07 69

Partner 2: Linné-University Kalmar, Kalmar, Schweden
Webseite: https://lnu.se/en/research/searchresearch/the-molecular-motor-and-bionano-group/
Kontakt: Alf Månsson, professor i fysiologi, Telefon: 070-886 62 43
Annika Sand, pressansvarig, Telefon: 076-830 01 05

Partner 3: Molecular Sense Ltd., Oxford, U.K.
Webseite: https://molecularsense.com/
Kontakt: Dan V. Nicolau, PhD. MD.

Partner 4: Bar-Ilan University, Ramat Gan, Israel
Webseite: http://www.eng.biu.ac.il/hillelk/
Kontakt: Dr. Hillel Kugler, E-Mail: kugler.hillel@biu.ac.il. Telefon: +972-3-7384437

Partner 5: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Website: https://www.fraunhofer.de/
 
Kontaktpersonen:
• Prof. Dr. Stefan E. Schulz
Stellvertretender Direktor des Fraunhofer ENAS, Leiter des Geschäftsfelds Mikro- und Nanoelektronik, Bio4Comp-Projektleiter in der Fraunhofer-Gesellschaft
E-Mail: stefan.schulz@enas.fraunhofer.de, Telefon: +49.(0)371.45001.232
• Dr. Martina Vogel, Leiterin Marketing & Public Relations, Fraunhofer ENAS, Chemnitz,
E-Mail: martina.vogel@enas.frauhnofer.de, Telefon: +49.(0)371.45001.203
• Marie-Luise Righi, Leiterin Marketing & Kommunikation, Fraunhofer ISC, Würzburg,
e-mail: marie-luise.righi@isc.fraunhofer.de, phone +49.(0)931.4100.150

Links:

To PNAS paper: http://www.pnas.org/content/113/10/2591.full?sid=5d9e45c4-6338-461e-9c93-a74c5ca7b6ed

To web-site: www.bio4comp.eu