Leitartikel

<p>11. November 1867, Berlin, Georgenstr. 7, Saal des Gewerbe-Museums, abends 7 Uhr. Der Anlass: „Constituierende Versammlung einer chemischen Gesellschaft zu Berlin“. Adolf Baeyer, außerordentlicher Professor für Chemie an der Universität Berlin und aktiv im provisorischen Komitee der zu gründenden Gesellschaft, begrüßt die über 100 Anwesenden:</p><p>„Wenn die Jünger der Chemie von nah und fern nach den Hallen dieses wissenschaftlichen Instituts zusammenströmen, so ist es wünschenswerth, daß sie in würdiger Weise von den Vertretern der Wissenschaft empfangen und zu einem gemeinsamen Wirken geleitet werden. Die Elemente zur Gründung einer chemischen Gesellschaft sind in Berlin schon in überreicher Zahl vorhanden und es hat nur des Anstoßes durch die Begründung eines wissenschaftlichen Centrums bedurft, um die Vereinigung der Berliner Chemiker herbeizuführen, welche sowohl für die wissenschaftliche wie für die technische Richtung der Chemie die reichsten Früchte tragen dürfte.“</p><p>Baeyer schlägt vor, dass August Wilhelm Hofmann an diesem Abend das Präsidium über die konstituierende Sitzung übernimmt. Dessen engste Mitarbeiter Carl Alexander Martius und Karl Hermann Wichelhaus hatten die Initative zur Gründung der chemischen Gesellschaft gestartet; es ist wahrscheinlich, dass sie dies in Hofmanns Auftrag taten.</p><p>Den Vorschlag, dass Hofmann die konstituierende Sitzung leiten soll, nimmt die Versammlung mit Beifall auf. Ob Adolf Baeyer da schon ahnt, dass später, nämlich bei der Mitgliederversammlung im Januar 1868, Hofmann auch zum Präsidenten der Gesellschaft gewählt werden wird – mit einem Vorsprung von zwei Stimmen gegenüber Baeyer selbst?</p><p>Hofmann zeigt sich hocherfreut über die bevorstehende Gründung der Gesellschaft. Er sagt:</p><p>„Persönlich habe ich schon lange das Bedürfnis gefühlt nach einer Vereinigung der Berliner Chemiker auf neutralem Boden und die zahlreiche Betheiligung an dieser Versammlung zeigt, daß dieses Bedürfnis ein allgemein gefühltes ist. Ich glaube den zahlreich versammelten Fachgenossen die Versicherung geben zu dürfen, daß sie dereinst auf diesen Stiftungstag einer chemischen Gesellschaft zu Berlin mit Befriedigung zurückblicken werden. Ich selbst habe nämlich schon einmal, wenn auch nicht bei der Gründung, doch bei der ersten Entwicklung einer chemischen Gesellschaft mitgewirkt. Während einer langen Reihe von Jahren habe ich mich regelmäßig an den Sitzungen der Chemical Society in London betheiligt, und die Anregung, welche ich aus deren Zusammenkünften mit nach Hause genommen habe, kann ich nicht dankbar genug anerkennen.</p><p>Der Zeitpunkt für die Bildung einer chemischen Gesellschaft in Berlin ist ein besonders günstiger. Zu keiner Periode gingen Theorie und Praxis in ähnlicher Weise Hand in Hand, und wenn es früher vorzugsweise die Industrie gewesen ist, welche aus der Entfaltung der Wissenschaft Vortheile gezogen hat, so liefert jetzt der wunderbare Aufschwung der Industrie nicht selten der Wissenschaft die Mittel für ihren weiteren Ausbau. Die neue Gesellschaft ist ganz eigentlich dazu bestimmt, den Vertretern der speculativen und der angewandten Chemie Gelegenheit zum gegenseitigen Ideenaustausche zu geben, um auf diese Weise die Allianz zwischen Wissenschaft und Industrie aufs Neue zu besiegeln.“</p><p>Hofmanns außerdem geäußerte Überzeugung, dass „dem Vereine ... eine glänzende Laufbahn vorbehalten sei“ bewahrheitet sich. Die Mitgliederzahl wächst ständig, weit über Berlin und über Deutschland hinaus. Neun Jahre später wird der Namenszusatz „zu Berlin“ gestrichen; in den 1930er Jahren sind fast 40 Prozent der über 3500 Mitglieder der Deutschen Chemischen Gesellschaft Ausländer.</p><p>Nach dem zweiten Weltkrieg stellt sich die GDCh in die Tradition der Deutschen Chemischen Gesellschaft (und des Ende des 19. Jahrhunderts gegründeten Vereins Deutscher Chemiker). In der heutigen GDCh sind über 30 000 Menschen versammelt, um weiterhin für die „reichsten Früchte der Chemie“ zu sorgen.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/1b7j905USvujiVsn6DwF"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Die Reden von Adolf Baeyer und August Wilhelm Hofmann sind zitiert nach: Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft zu Berlin 1868, 1, 3. Die Redentexte sind gekürzt und indirekte ist in direkte Rede umgewandelt. Porträt Hofmann: Gemälde von Heinrich von Angeli.</figcaption></figure>


Meinungsbeitrag

Die Früchte der Chemie

11. November 1867, Berlin, Georgenstr. 7, Saal des Gewerbe-Museums, abends 7 Uhr. Der Anlass: „Constituierende Versammlung einer chemischen Gesellschaft zu Berlin“. Adolf Baeyer, außerordentlicher Professor für Chemie an der Universität Berlin und aktiv im provisorischen Komitee der zu gründenden...

Wissenschaft & Forschung

<p>Ein neuer Ansatz für parallele Rechner kombiniert Elektronenstrahllithografie mit biomolekularen Motoren der Zelle. Dieser Ansatz kann kombinatorische Probleme effizienter lösen als herkömmliche Computer.</p>
<p>Das lineare Vorgehen herkömmlicher Computer – also das Lösen von Aufgaben nacheinander – begrenzt ihre Fähigkeit, kombinatorische Probleme zu berechnen. Dies betrifft Probleme wie Design und Faltung von Proteinen, Verifizierung von Schaltkreisen oder Routenplanung. Die Schwierigkeit liegt darin, dass die nötigen Berechnungen mit der Größe des Systems exponentiell zunehmen. Oft überfordert schon bei relativ kleinen Problemen die schiere Zahl an Rechenoperationen einen herkömmlichen, sequenziell rechnenden Computer. Parallele Rechner – zum Beispiel DNA-Computer<sup>1)</sup> oder Quantencomputer<sup>2)</sup> – können solche Probleme prinzipiell lösen. Allerdings hat es noch keine der bislang entwickelten Methoden zur Anwendungsreife geschafft. Ein neuer Ansatz will das ändern: Dazu werden etablierte Nanofertigungsmethoden wie Elektronenstrahllithografie mit biomolekularen Motoren der Zelle (Kasten S. 10) kombiniert. Dadurch profitiert das Herstellungsverfahren von langjährigen Optimierungen aus der Fertigung von Mikrochips, während die biomolekularen Motoren von Natur aus energieeffizient und parallel arbeiten.</p><h2>Biomolekulare Motoren</h2><p>Biomolekulare Motoren sind Proteine mit mehreren Aufgaben: In Zellen transportieren sie Membranvesikel oder ganze Organellen, während der Zellteilung sortieren sie DNA, außerdem steuern sie die Bewegung der Zelle und treiben sie an. Das hier verwendete Motorprotein Kinesin-1 bewegt sich schrittweise entlang von Filamenten des Zytoskeletts, den Mikrotubuli (Abbildung). Dabei hydrolysieren die Motoren für jeden Schritt ein Molekül Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat. Im Lauf der Evolution wurden Motorproteine über Milliarden Jahre für die Arbeit im Nanometerbereich optimiert. Daher wandeln diese biologischen Nanomaschinen chemische Energie in Form von ATP energieeffizient direkt in mechanische Arbeit um und arbeiten von Natur aus parallel.<sup>5)</sup></p><div><p>Das Motorprotein Kinesin-1 transportiert ein Membranvesikel entlang eines Mikrotubulus.</p><img src="https://media.graphcms.com/NSSPIsXeSqmQwzdpCWn3">

</div><p></p><h2>Rucksackproblem</h2><p>Für unsere Machbarkeitsstudie<sup>3)</sup> nutzten wir das Teilsummenproblem, eine spezielle Form des Rucksackproblems. Das Rucksackproblem lässt sich so vorstellen: Angenommen, man müsste ein Museum evakuieren und man kann nur einen Rucksack mitnehmen, der maximal 30 Liter fasst. Man muss zwischen verschiedenen Gegenständen wählen, die jeweils einen bestimmten Wert und ein bestimmtes Volumen haben. Ziel ist es, den Rucksack mit möglichst wertvollen Gegenständen zu füllen. Um die beste Lösung zu finden, müssen alle Kombinationen der insgesamt N vorhandenen Gegenstände durchprobiert werden – dafür gibt es 2<sup>N</sup> verschiedene Möglichkeiten. Die Anzahl der Rechenoperationen, die nötig sind um das Problem zu lösen, steigt also exponentiell mit der Anzahl der Gegenstände.</p><h2>Speziell: Teilsummenproblem</h2><p>Mathematisch wird das Teilsummenproblem so formuliert: Gegeben ist eine Menge von ganzen Zahlen S = {s<sub>1</sub>, s<sub>2</sub>, ..., s<sub>N</sub>}. Gesucht ist eine Teilmenge von S, deren Summe (auch Teilsumme genannt) gleich einer Zielsumme T ist.</p><p>Um das Teilsummenproblem mit molekularen Motoren zu lösen, verwendeten wir ein spezielles Netzwerk aus 250 nm breiten Kanälen (Abbildung 1, S. 9). Das Netzwerk wurde mit Elektronenstrahllithografie gefertigt, einem Verfahren, das auch in der Mikroelektronik verbreitet ist. Um die eigentliche Berechnung durchzuführen, bewegen sich viele Mikrotubuli gleichzeitig durch das Netzwerk. Mikrotubuli sind nanometerdicke Proteinröhren, die von den biomolekularen Motoren angetrieben werden, welche im Netzwerk verankert sind. Dabei berechnet jedes Mikrotubulus die Summe einer möglichen Teilmenge von S. Um das Teilsummenproblem korrekt abzubilden, besteht das Netzwerk aus zwei verschiedenen Kreuzungen: An Verteilungskreuzungen (Abbildung 2 oben) werden ankommende Mikrotubuli gleichmäßig auf die Ausgänge verteilt. Linker Ausgang bedeutet: Die entsprechende Zahl wird zu der Teilsumme addiert. Rechter Ausgang bedeutet: Die entsprechende Zahl wird ausgelassen. Der Wert der Zahl, die der Mikrotubulus an der entsprechenden Kreuzung hinzuaddiert oder auslässt, wird durch die Anzahl der folgenden Durchgangskreuzungen bestimmt. Diese sind so konzipiert, dass die Filamente immer geradeaus gehen müssen (Abbildung 2 unten).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/zHLWmYf7Q0Ks8OfvIlgf"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Design eines Netzwerks, welches das Teilsummenproblem {2;5;9} löst. Grün: Pfade, die zu gültigen Lösungen führen; grau: Pfade, die nicht zu gültigen Lösungen führen; blau: im Text beschriebener Beispielpfad. Grüne Zahlen sind im Gegensatz zu magentafarbenen Teil der Lösungsmenge.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/ig3NNHg5T4lJ7BfKRnjQ"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Oben: Verteilungskreuzung. Ankommende Filamente werden nach dem Zufallsprinzip gleichmäßig auf beide Ausgänge der Kreuzung verteilt. Unten: Durchgangskreuzung. Die Kreuzung ist so gestaltet, dass Filamente nicht abbiegen können. Ankommende Filamente setzen ihren Weg daher geradeaus fort.</figcaption></figure>
<h2>Der Weg eines Mikrotubulus</h2><p>Ein Mikrotubulus nimmt beispielsweise den in Abbildung 1 blau dargestellten Pfad durch das Netz: An der ersten Kreuzung biegt er nach links ab und bewegt sich auf einem diagonalen Pfad durch das Netzwerk. An der folgenden Durchgangskreuzung läuft er weiterhin diagonal und trifft so in Spalte Nummer 2 auf die nächste Zeile von Verteilungskreuzungen. Er hat also die Zahl 2 zu der Teilsumme addiert. An der Verteilungskreuzung biegt er nach rechts ab und befindet sich nun auf einem geraden Pfad nach unten. Deshalb lässt er die Zahl 5 aus der Teilsumme heraus. An der nächsten Zeile von Verteilungskreuzungen biegt er wieder nach links ab und addiert deshalb die Zahl 9 zu der Teilsumme. Er verlässt demnach das Netzwerk an Ausgang Nummer 11 (= 2 + 9). Sofern genügend Mikrotubuli verschiedene Pfade durch das Netzwerk nehmen, wird jede mögliche Kombination der Zahlen 2, 5 und 9 aufsummiert und somit das Teilsummenproblem {2;5;9} vollständig gelöst.</p><h2>Molekularer Motor oder Laptop?</h2><p>Für ein Problem mit drei Zahlen ermittelt ein Laptop die Lösung deutlich schneller als molekulare Motoren. Mit steigender Anzahl von Elementen im Problem steigt aber auch die Zahl möglicher Pfade, und die molekularen Motoren profitieren davon, dass sie parallel arbeiten und viele verschiedene Lösungsmöglichkeiten gleichzeitig berechnen. Mit Simulationen haben wir geschätzt, dass ein mikrotubulibasierter Parallelrechner ab einer Problemgröße von etwa 30 Zahlen alle möglichen Kombinationen schneller durchprobiert als ein herkömmlicher Laptop.</p><p>Allerdings stößt auch ein parallel rechnender Biocomputer an Grenzen: Ein Problem liegt darin, dass die Mikrotubuli an den Durchgangskreuzungen derzeit mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,3 Prozent falsch abbiegen. Für kleine Probleme ist diese Fehlerrate nicht problematisch. Bei mehr als zehn Zahlen im Problem akkumulieren die Fehler aber so sehr, dass die korrekte Lösung nicht mehr erkennbar ist. Dieses Problem lässt sich in Zukunft durch optimierte Durchgangskreuzungen lösen, etwa solche mit Unterführungen.</p><p>Das zweite Problem ist grundsätzlicherer Natur: Durch das parallele Rechnen steigt zwar die benötigte Zeit nicht mehr exponentiell an. Im Gegenzug steigt aber die Menge an benötigtem Tubulinprotein, da jede mögliche Lösung einen eigenen Mikrotubulus benötigt. So würde ein Problem mit 55 Zahlen etwa 200 g Protein benötigen. Dennoch wäre auch in diesem Fall der Biocomputer noch deutlich energieeffizienter als ein herkömmlicher Supercomputer: Der würde für ein solches Problem Strom im Wert von mehreren Millionen Euro verbrauchen. Um das Problem der hohen Mikrotubulizahl anzugehen, entwickeln wir Verfahren, um Mikrotubuli in großer Zahl herzustellen und in die Netzwerke einzufüttern.</p><h2>Ausblick</h2><p>Parallel rechnende Biocomputer haben das Potenzial, praktisch relevante Probleme energieeffizienter und schneller zu lösen als herkömmliche elektronische Computer. Ähnlich wie Transistoren in den 20er Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts steht die Technologie noch am Anfang. Es ist viel Optimierungsarbeit nötig, um den technischen Vorsprung aufzuholen, den integrierte Schaltkreise in Forschung und Entwicklung haben.</p><p>Dank der prinzipiellen Vorteile bei Energieeffizienz und Parallelität sollte es machbar sein, mit vertretbarem Aufwand ein Stadium zu erreichen, in dem biomolekulare Motoren tatsächlich schneller rechnen als elektronische Computer. Dies ist insbesondere deshalb interessant, weil die Halbleiterindustrie beginnt, sich in ihren Roadmaps aufgrund physikalischer und finanzieller Hindernisse von einer weiteren Miniaturisierung zu verabschieden.<sup>4)</sup></p><h2>Quergelesen</h2><p>Die Kombination aus biomolekularen Motoren und Fertigungsmethoden aus der Halbleiterindustrie liefert einen parallel rechnenden Biocomputer.</p><p>In diesem Rechner erkunden biomolekulare Motoren ein Netzwerk aus Kanälen, das ein mathematisches Problem kodiert.</p><p>Die Biocomputer haben das Potenzial, bestimmte Probleme billiger und schneller zu lösen als elektronische Computer.</p><p>Stefan Diez ist Professor für Bionanowerkzeuge am B-Cube-Center for Molecular Bioengineering an der TU Dresden. Er promovierte im Jahr 2000 in Physik am Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik und der TU Berlin. Seit 2004 forscht er an molekularen Transportsystemen in Zellbiologie und Nanotechnologie.</p><div><img src="https://media.graphcms.com/rK3hOmTDs0EXhcRtRwgY">

</div><p></p><p>Till Korten ist Postdoktorand am B-Cube-Center for Molecular Bioengineering an der TU Dresden. Er promovierte im Jahr 2009 am Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik und der TU Dresden über Biophysik und nanotechnologische Anwendungen biomolekularer Motoren.</p><div><img src="https://media.graphcms.com/b8BKqLReSWi9OXQepo1B">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
<sup>1 </sup>M. Scudellari, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2015, 112, 15771–15772.</li><li>
<sup>2 </sup>T. D. Ladd, F. Jelezko, R. Laflamme, Y. Nakamura, C. Monroe, J. L. O‘Brien, Nature 2010, 464, 45–53.</li><li>
<sup>3 </sup>D. V. Nicolau, Jr., M. Lard, T. Korten, F. C. van Delft, M. Persson, E. Bengtsson, A. Mansson, S. Diez, H. Linke, D. V. Nicolau, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2016, 113, 2591–2596.</li><li>
<sup>4 </sup>M. M. Waldrop, Nature 2016, 530, 144–147.</li><li>
<sup>5 </sup>J. Howard, Mechanics of motor proteins and the cytoskeleton, Sinaur Associates Inc, Sunderland MA, 2001.</li></ul>


Meinungsbeitrag

Die Früchte der Chemie

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