Biochemische Zufallszahl: Wissenschaftler haben mit Hilfe der DNA-Synthese eine riesige echte Zufallszahl erzeugt.

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ETH-Wissenschaftler haben mittels DNA-Synthese eine riesige echte Zufallszahl generiert. Es ist das erste Mal, dass eine Zahl dieser Grössenordnung auf biochemischem Weg erzeugt wurde.

Echte Zufallszahlen werden in so unterschiedlichen Bereichen wie Spielautomaten und Datenverschlüsselung benötigt. Diese Zahlen müssen wirklich zufällig sein, so dass sie nicht einmal von Personen mit detaillierten Kenntnissen über die Methode, mit der sie erzeugt werden, vorhergesagt werden können.

In der Regel werden sie mit physikalischen Methoden erzeugt. So ist beispielsweise der elektrische Widerstand eines Drahtes dank kleinster hochfrequenter Elektronenbewegungen nicht konstant, sondern schwankt leicht und unvorhersehbar. Durch Messungen dieses Hintergrundrauschens lassen sich also echte Zufallszahlen erzeugen.

Nun hat erstmals ein Forscherteam unter der Leitung von Robert Grass, Professor am Institut für Chemie- und Bioingenieurwissenschaften, eine nicht-physikalische Methode zur Erzeugung solcher Zahlen beschrieben: eine Methode, die biochemische Signale nutzt und in der Praxis tatsächlich funktioniert. In der Vergangenheit waren die von anderen Wissenschaftlern vorgebrachten Ideen zur Erzeugung von Zufallszahlen mit chemischen Mitteln eher theoretischer Natur.

DNA-Synthese mit Zufallsbausteinen

Für diesen neuen Ansatz wenden die ETH-Forschenden die Synthese von DNA-Molekülen an, eine etablierte chemische Forschungsmethode, die seit vielen Jahren häufig angewandt wird. Sie wird traditionell zur Herstellung einer genau definierten DNA-Sequenz verwendet. In diesem Fall baute das Forscherteam jedoch DNA-Moleküle mit 64 Bausteinpositionen, bei denen an jeder Position eine der vier DNA-Basen A, C, G und T zufällig angeordnet war. Dies erreichten die Wissenschaftler, indem sie bei jedem Syntheseschritt nicht nur einen, sondern eine Mischung der vier Bausteine verwendeten.

Im Ergebnis ergab eine relativ einfache Synthese eine Kombination von etwa drei Billiarden Einzelmolekülen. Die Wissenschaftler verwendeten anschließend eine wirksame Methode, um die DNA-Sequenz von fünf Millionen dieser Moleküle zu bestimmen. Das Ergebnis waren 12 Megabyte an Daten, die die Forscher als Nullen und Einsen auf einem Computer speicherten.

Riesige Mengen an Zufälligkeit auf kleinem Raum

Eine Analyse ergab jedoch, dass die Verteilung der vier Bausteine A, C, G und T nicht ganz gleichmäßig war. Entweder die Feinheiten der Natur oder die angewandte Synthesemethode führten dazu, dass die Basen G und T häufiger in die Moleküle integriert wurden als A und C. Dennoch gelang es den Wissenschaftlern, diese Verzerrung mit einem einfachen Algorithmus zu korrigieren und so perfekte Zufallszahlen zu erzeugen.

Das Hauptziel von ETH-Professor Grass und seinem Team war es zu zeigen, dass Zufallsvorkommen in chemischen Reaktionen ausgenutzt werden können, um perfekte Zufallszahlen zu erzeugen. Die Umsetzung der Erkenntnisse in eine direkte Anwendung stand zunächst nicht im Vordergrund. “Gegenüber anderen Methoden hat unsere jedoch den Vorteil, dass sie riesige Mengen an Zufallszahlen erzeugen kann, die auf kleinstem Raum, in einem einzigen Reagenzglas, aufbewahrt werden können”, sagt Grass. “Wir können die Informationen auslesen und zu einem späteren Zeitpunkt in digitaler Form neu interpretieren. Das ist mit den bisherigen Methoden unmöglich.”

Referenz: “DNA-Synthese zur Erzeugung echter Zufallszahlen” von Linda C. Meiser, Julian Koch, Philipp L. Antkowiak, Wendelin J. Stark, Reinhard Heckel und Robert N. Grass, 18. November 2020, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-020-19757-y.

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