Stel je een computer voor die niet is opgebouwd uit siliciumchips, maar uit op elkaar inwerkende enzymen – de biologische katalysatoren die de chemische processen van het leven aandrijven. Dit is geen sciencefiction; onderzoekers van de Radboud Universiteit in Nederland hebben zo’n apparaat gemaakt. In tegenstelling tot traditionele computers die afhankelijk zijn van rigide programmering, past deze ‘chemische computer’ zich aan en leert door de dynamische interacties van zijn moleculaire componenten, waardoor een kijkje wordt geboden in een toekomst waarin berekeningen samensmelten met biologie.
Decennia lang hebben wetenschappers geprobeerd het opmerkelijke aanpassingsvermogen van levende systemen binnen kunstmatige apparaten te repliceren. Cellen voelen moeiteloos voedingsstoffen, hormonen en temperatuurveranderingen en passen hun gedrag daarop aan. Het nabootsen van deze complexiteit in niet-biologische systemen is een uitdaging gebleken. De meeste pogingen om ‘chemische computers’ te bouwen zijn ofwel te simplistisch ofwel te inflexibel geweest om de genuanceerde wisselwerking van biologische netwerken vast te leggen.
Deze nieuwe aanpak kiest een andere aanpak. In plaats van elke chemische stap nauwgezet te programmeren, hebben onderzoekers een systeem samengesteld waarbij zeven verschillende enzymen zich bevinden op kleine hydrogelkorrels verpakt in een buis. Een stromende vloeistof met korte ketens van aminozuren (peptiden) dient als input voor de computer. Terwijl deze peptiden de enzymen tegenkomen, probeert elk enzym ze op specifieke plaatsen te splitsen.
Dit is echter geen lineair proces. De splitsing van één enzym verandert de vorm van het peptide en de beschikbare snijplaatsen voor volgende enzymen, waardoor een cascade-effect ontstaat. Deze ingewikkelde dans van chemische reacties genereert voortdurend veranderende patronen binnen het systeem. Deze patronen worden de taal waarmee de computer informatie interpreteert.
“We kunnen de enzymen beschouwen als de hardware en de peptiden als de software”, legt Dongyang Li uit, een onderzoeker aan het California Institute of Technology die niet bij het onderzoek betrokken was. “Dit systeem lost nieuwe problemen op, afhankelijk van de input.”
Opmerkelijk is dat dit dynamische systeem kenmerken vertoont die doen denken aan het biologische geheugen. Omdat chemische reacties met verschillende snelheden plaatsvinden, behoudt het netwerk een spoor van signalen uit het verleden, waardoor het patronen kan herkennen die zich in de loop van de tijd ontvouwen. Het kan bijvoorbeeld onderscheid maken tussen snelle en langzame lichtpulsen, waarmee het zijn vermogen aantoont om veranderingen te volgen in plaats van eenvoudigweg te reageren op statische input.
Deze “chemische computer” is niet gebonden aan de beperkingen van traditionele schakelingen. Het detecteert temperatuurschommelingen en classificeert deze met opmerkelijke nauwkeurigheid (met een gemiddelde fout van 1,3 °C tussen 25 °C en 55 °C), en kan zelfs pH-niveaus onderscheiden en reageren op lichtpulsritmes. Dit alles wordt bereikt zonder dat er nieuwe bedrading of herontwerp van de chemische kerncomponenten nodig is.
Het team was verbaasd over de efficiëntie van het systeem, gezien de bescheiden omvang ervan. Het potentieel voor opschaling is enorm. Onderzoeker Wilhelm Huck stelt zich een toekomst voor waarin complexere systemen, waarin tientallen of zelfs honderden enzymen zijn verwerkt, optische of elektrische signalen rechtstreeks in chemische signalen zouden kunnen vertalen, waardoor ze op geheel nieuwe manieren met biologische systemen kunnen interageren.
Dit baanbrekende werk markeert een belangrijke stap in de richting van het overbruggen van de kloof tussen kunstmatige en biologische berekeningen. Het opent deuren naar innovatieve toepassingen, van zeer aanpasbare sensoren tot biocompatibele interfaces die technologie naadloos integreren met levende organismen.
