1 Inhaltsverzeichnis

1 Inhaltsverzeichnis 2

2 Einleitung 3

3 DNA-Computing

3.1 Warum DNA-Computing?

3.2 Aufbau von DNA 5

3.3 Adlemans Experiment 8

3.3.1 Vorwort 8

3.3.2 Warum DNA?

3.4 Versuchsaufbau und Ziel des Versuches

3.5 Mögliche Operationen mittels DNA 10

3.6 Durchführung der Berechnungen - Algorithmus 12

3.6.1 Kodierung der Knoten

3.6.2 Kodierung der Kanten

3.7 Berechnung des Hamiltonschen Weges

3.8 Ergebnis der Berechnung mittels DNA Computer 14

3.9 Vor- und Nachteile des DNA Computing 15

4 Pädagogische Überlegungen zu DNA-Computing in der Schule 16

4.1 Didaktik

4.2 Zeitlicher Rahmen

4.3 Methodik und Sozialform in Lernszenarien 20

4.4 Überlegungen für ein Unterrichtskonzept 22

4.4.1 Allgemeiner Teil 22

4.4.2 Phase 1: Motivation

4.4.3 Aufbau von DNA

4.4.4 Experiment von Adleman 23

4.4.5 Ausblick - Technische Aspekte 23

5 Ausblick und weiterführendes Material 24

6 Literatur

6.1 Bücher:

6.2 Internet 26

7 Abbildungsverzeichnis 28

8 Abbildungsnachweis: 28

2

2 Einleitung

Diese Hausarbeit ist im Rahmen des Seminars „Informatik im Schulunterricht“ an der TU Darmstadt entstanden. Ziel der dargelegten Ausarbeitung ist zunächst die Darstellung der Wissensgrundlagen, die notwendig sind um sich mit DNA-Computing genauer zu befassen. Als Grundlage dient das später genauer erläuterte Experiment von Prof. Adleman zur Berechnung eines Hamiltonschen Weges in einem Graphen. Hierbei steht eine Benennung der notwendigsten Grundlagen im Vordergrund, für Genauere Angaben zum Versuchsaufbau, der Wirkungsweise der einzelnen Prozesse wird auf entsprechende Literatur verwiesen. Der zweite Teil geht auf die Möglichkeit ein, DNA-Computing in der Schule als Unterrichtsthema zu behandeln. Hierbei stehen Allgemein- und Fachdidaktische Überlegungen im Vordergrund. Insbesondere auf die Aufteilung und Vermittlung der Inhalte wird das Augenmerk gelegt. Überlegungen zur Methodik, geeigneten Sozialformen sowie das benennen möglicher Übungsaufgaben und fachverwandter Inhalte runden den zweiten Teil ab.

Abschließend wird ein Ausblick über die Weiterentwicklung des DNA- Computing, seit dem Experiment durch Prof. Adleman gegeben. Dieser Teil kann auch als weitere Motivation für die Schüler zu verstehen, da DNA-Computing ein anderes Potential bietet als bisherige Methoden des Computing mittels elektronischen Bauteilen.

Auf ein Fazit wurde absichtlich verzichtet. Sämtliche Kapitel sind so gestaltet, dass sie die wichtigsten Inhalte und Schlussfolgerungen beinhalten. Zudem wurde dadurch verhindert, dass Schlussfolgerungen aus ihrem Kontext genommen und somit inhaltlich reduziert wurden.

Darmstadt, März 2008

3

3 DNA-Computing

3.1 Warum DNA-Computing?

Da elektronische Bausteine nicht immer weiter verkleinert werden können wird man in absehbarer Zukunft an die Grenzen der Leistungssteigerung gelangen. Zwar bietet die Verwendung anderer Werkstoffe, bzw. die Kombination mit neuen Werkstoffen (z.B. Graphit) die Möglichkeit diese Grenze immer etwas weiter herauszuzögern. Dennoch verbirgt sich hier offensichtlich der Bedarf nach grundlegend neuen Technologien die solche Leistungssteigerungen bereitstellen können. Hierbei sind momentan zwei unterschiedliche Technologien im Gespräch. Zum einen der Quantencomputer, der mit Hilfe von Lösungsstrategien die auf der Quantenmechanik basieren mathematische Problemstellungen lösen soll. Dabei handelt es sich momentan jedoch nur um ein rein theoretisches Konstrukt bei dem unklar ist ob und wann erste Experimente mit einem real existierenden Quantencomputer durchgeführt werden können.

Die zweite Möglichkeit besteht in der Verwendung von DNA Molekülen und entsprechender Techniken zur Berechnung mathematischer Probleme um mathematische Berechnungen durchzuführen.

Abbildung 1: Moore's Law

Dies ist jedoch nicht der einzige Aspekt den DNA-Computer bieten können. Da Hard-und Software eines DNA-Computers in DNA implementiert sind, bietet sich als neues Szenario die Verwendung von DNA-Computern in lebenden Organismen. Es könnte

4

so z.B. ein DNA-Programm in einen kranken Menschen „gesetzt“ werden. Anhand des DNA-Computers (im Menschen) die DNA des Menschen „gescannt“ werden kann (ohnehin sind beim DNA-Computer alle Daten-Inputs in DNA kodiert), können erkrankte Zellen (z.B. Krebszellen) erkannt werden und durch den DNA-Computer heilende DNA-Sequenzen abgegeben werden. 1

3.2 Aufbau von DNA

DNS und DNA bedeuten Desoxyribonukleinsäure ² und beschreibt die Verbindung der Stoffe Ribose (Zucker), Phosphaten sowie den Basen Adenin, Thyimin, Cytosin und Guanin in Form einer einfachen Helix oder Doppelhelix.

Abbildung 2: DNA Helix

Für unsere Zwecke reicht es, sich auf die Basen zu konzentrieren. DNA Stränge unterscheiden sich (für unsere Zwecke) ausschließlich durch eine unterschiedliche Anordnung der Basen. Daher werden die anderen Bestandteile nicht weiter berücksichtigt.

Entscheidend ist, dass die Basen untereinander die Möglichkeit haben Verbindungen einzugehen. Die Möglichkeiten der Verbindungen ist jedoch beschränkt wie nachfolgend das Watson-Crick Komplement aufzeigt. Mögliche Verbindungen der Basen nach Watson-Crick:

¹ Nach: http://www.wisdom.weizmann.ac.il/%7Eudi/papers/automoleculcomp_nat04.pdf und

http://www.wisdom.weizmann.ac.il/~udi/papers/physicaD_PDF.pdf

Da alleine dieses Thema sehr umfangreich ist, bitte ich den interessierten Leser sich für weitere

Informationen über die genannten Seiten weiter zu informieren.

² Laut Duden ist die Bezeichnung DNA der Bezeichnung DNS vorzuziehen, da letzteres als „veraltend“

gilt.

5

Adenin Thyimin Cytosin Guanin

Wie dargestellt gehen nur Adenin mit Thyimin und Cytosin mit Guanin miteinander eine Verbindung ein. Dabei handelt es sich um Wasserstoffverbindungen verschiedener Wertigkeiten, die die Basen untereinander verbinden. Da dies für die Berechnungen und die Darstellung des DNA-Computing in dieser Form nicht relevant ist, wird an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen. Wir betrachten DNA in erster Linie als organischen Datenträger der es uns ermöglicht Daten aller Art zu kodieren. Bemerkenswert ist hier insbesondere die sehr hohe Datendichte von ca. 10 ^{^19} DNA-Molekülen pro Milliliter. Abkürzungen von Begrifflichkeiten bei DNA: Phosphor: P Zucker/ Ribose: Z oder R ³ Basen: Adenin: A Thyimin: T Cytosin : C Guanin: G

Abbildung 3: Schematischer Aufbau DNA

³ Anmerkung: Bezeichnung ist abhängig von Literaturquelle

6

Abbildung 3 stellt schematisch den Aufbau der DNA dar. Hier in der Mitte deutlich sichtbar die Verbindungen der Basen. Die Wasserstoffverbindungen wurden hier symbolisch mittels gepunkteter Linien dargestellt. ⁴ Weitere Informationen können unter den im Literaturverzeichnis angegebenen Quellen recherchiert werden.

⁴ Kapitel vgl. [JH06] S. 246-249

7