Künstliche Intelligenz kann heute Sprache erkennen, Bilder auswerten und große Datenmengen in kürzester Zeit verarbeiten. Doch je leistungsfähiger diese Systeme werden, desto deutlicher zeigt sich ihre Kehrseite: KI benötigt enorme Rechenleistung – und damit viel Energie. Genau hier setzt ein interdisziplinäres Forschungsprojekt der Ilmenau School of Green Electronics an. An der Schnittstelle von Lebens- und Materialwissenschaften, Nanotechnologie und Elektrotechnik suchen Forschende nach einer neuen, energieeffizienten Lösung für die Informationsverarbeitung: Rechnen mit dem grundlegenden Molekül des Lebens.
Saadman Abedin, Doktorand an der Ilmenau School of Green Electronics, arbeitet gemeinsam mit seinen Ilmenauer Kolleg*innen Dr. Peggy Reich, Dr. Jörg Pezoldt und Dr. Heike Bartsch an einer faszinierenden Forschungsfrage: Könnte DNA als Grundlage für elektronische Bauelemente dienen, die Informationen gleichzeitig speichern und verarbeiten – und damit deutlich energieeffizienter arbeiten als heutige Elektronik?
DNA ist vor allem als Träger genetischer Information bekannt. Für die Elektronikforschung ist das Molekül aber auch aus einem anderen Grund interessant: Es besitzt sogenannte memristive Eigenschaften. Das bedeutet, dass es sich frühere Zustände „merken“ kann. Damit unterscheidet sich DNA von klassischer Elektronik, bei der Speicherung und Verarbeitung getrennt erfolgen. Biosystemtechnikerin und Bioinformatikerin Dr. Peggy Reich erklärt:
Während Transistoren, die kleinsten Schalter in klassischer Elektronik wie Smartphones oder Computern, nur ‚ein‘ oder ‚aus‘ kennen, können sich Memristoren daran erinnern, wie viel Strom zuvor durch sie geflossen ist – selbst wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Dieses Verhalten ähnelt den Verbindungen im menschlichen Gehirn, die sich durch Nutzung verstärken oder abschwächen.
Gerade deshalb ist DNA als Grundlage für sogenannte neuromorphe Systeme interessant – also Hardware, die nach dem Vorbild biologischer Nervennetze funktioniert und Informationen besonders energieeffizient verarbeitet. Das ist vor allem für Anwendungen der künstlichen Intelligenz relevant, bei denen viele Rechenoperationen parallel ablaufen.
Hinzu kommt, so Peggy Reich:
Im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Grundmaterialien wie Silizium oder Metallen ist DNA ein erneuerbarer und biologisch abbaubarer Rohstoff.
Diese „grüne“ Eigenschaft macht DNA für das Team der Ilmenau School of Green Electronics besonders spannend. Doktorand Saadman Abedin erklärt:
Weil die Memristor-Technologie noch am Anfang steht, arbeiten weltweit viele Forschungsgruppen mit unterschiedlichen Materialien und Architekturen. Unser Ansatz ist es, Biomaterialien, das heißt DNA in diese Technologie einzubringen, und das mit definierter Sequenz, Struktur und Orientierung. So wollen wir verstehen, ob und wie sich DNA nicht nur als Speichermedium, sondern auch als funktionales elektronisches Material nutzen lässt.
Dafür kombiniert das interdisziplinäre Forschungsteam unterschiedliche Kompetenzen: Dr. Peggy Reich forscht im Bereich der biotechnischen Mikro- und Nanosysteme für die Lebenswissenschaften, Dr. Jörg Pezoldt in der Nanotechnologie und Dr. Heike Bartsch in der Elektroniktechnologie. Doktorand Saadman Abedin wiederum bringt Erfahrungen aus seinem Masterstudium Micro- and Nanotechnologies und seiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien sowie am Fachgebiet Nanotechnologie ein.
Hochpräzise Elektrodenstrukturen im Nanometerbereich
Eine zentrale Herausforderung des Forschungsteams bestand zunächst darin, hochpräzise Elektrodenstrukturen im Nanometerbereich herzustellen – also Strukturen von weniger als 15 Nanometern Größe mit Abständen von nur wenigen Nanometern. Anschließend untersuchten die Forschenden, wie elektrische Signale durch DNA-Moleküle transportiert werden, die zwischen diesen winzigen Elektroden eingebracht sind. Saadman Abedin erklärt:
Indem wir die DNA zwischen die Kontakte beziehungsweise Elektroden platzieren – ähnlich wie einen leitfähigen Draht –, können wir durch Veränderungen der Basensequenz oder durch reversible Anlagerung zusätzlicher Moleküle, sogenannter Oligonukleotide, die Leitfähigkeit und damit die gewünschte Funktion gezielt beeinflussen.
So wollen die Forschenden besser verstehen, welche Rolle die genaue Struktur der DNA für das memristive Verhalten spielt.
Von der Grundlagenforschung zur Mustererkennung
Noch ist das Projekt klar in der Grundlagenforschung verankert. Dennoch gibt es bereits konkrete Anwendungsperspektiven: Die entwickelten Bauelemente sollen beispielhaft für intelligente Mustererkennung getestet werden – etwa in der Bilderkennung.
Die Vision dahinter ist weitreichend. Wenn es gelingt, Speichern und Verarbeiten in nachhaltigen molekularen Strukturen zu vereinen, könnte das den Weg zu ressourcenschonenderen Rechnerarchitekturen ebnen.
Gleichzeitig zeigt das Projekt, wie stark sich die Entwicklung zukünftiger Elektronik verändert. Fortschritte entstehen nicht mehr nur durch kleinere und schnellere Chips, sondern auch durch völlig neue, nachhaltigere Materialien und Prinzipien. In Ilmenau wird deshalb an einer Technologie geforscht, die sich an der Natur orientiert – und gerade deshalb das Potenzial hat, technische Systeme grundlegend zu verändern, so Dr. Peggy Reich:
DNA-basierte Memristoren könnten nicht nur zu energieeffizienteren Computern beitragen, was angesichts des weltweit wachsenden Datenbedarfs von großer Bedeutung ist. Sie eröffnen auch neue Möglichkeiten für bioelektronische Systeme, die direkt mit biologischen Prozessen interagieren können – beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, bei Biosensoren oder sogar bei Schnittstellen zum Nervensystem. Unsere Forschung zielt darauf ab, die Lücke zwischen Elektronik und Biologie zu schließen und nachhaltige, energieeffiziente und biologisch integrierte Technologien für die Zukunft zu ermöglichen.
M.Sc. Saadman Abedin
