We zijn tegenwoordig zo gewend aan onze digitale rekenmachines, dat we vergeten dat we ook op andere manieren kunnen rekenen. Geïnspireerd door processen in levende cellen onderzocht scheikundige Albert Wong van de Universiteit Twente of we een systeem van moleculen zo kunnen aanpassen dat je hier wiskundige opdrachten mee kunt uitvoeren.
Waarom wilden jullie moleculen laten rekenen?
‘De laatste jaren hebben veel wetenschappers geprobeerd om het brein na te bootsen. Maar wanneer we dat met behulp van de huidige computers doen, kost dat veel meer energie dan wanneer levende breincellen een taak uitvoeren. Dat is logisch, want de basis van onze huidige computers is heel anders dan die van levende cellen. Wij hopen dat we met ons systeem het brein wel kunnen nabootsen.’
Kun je hersencellen überhaupt nabootsen met een computer?
‘Dat ligt aan wat je beschouwt als een computer. Toen Alan Turing het concept van een computer bedacht, was hij niet zozeer op zoek naar het systeem waarmee je computing kan doen, berekeningen uitvoeren, maar vooral met de vraag wat er in theorie en in de natuur voor zorgt dat er gerekend wordt.
Koop je straks megagrote labdiamanten bij de Hema?
Labdiamanten zijn net zo mooi als natuurlijke diamanten en nu hun productiekosten dalen, veroveren ze de juwelenmarkt. Sebastiaan van de Water zocht u ...
Een levende cel bestaat uit heel veel verschillende moleculen, die samen een systeem vormen. Zo’n systeem wordt ook wel een chemisch reactienetwerk genoemd. Chemische reactienetwerken kunnen van alles. Ze kunnen zichzelf in leven houden, ze kunnen zichzelf aanpassen en ze kunnen eigenlijk ook rekenen.
Want die netwerken communiceren allemaal met elkaar, en daarvoor zijn berekeningen nodig. We weten dat die regelgeving in de natuur anders is dan bij digitale computers, we begrijpen alleen nog niet precies hoe die regels er dan uitzien. In ons onderzoek zijn we op zoek gegaan naar een bouwsteen waarmee we zo’n chemisch reactienetwerk zelf konden laten rekenen.’
Hebben jullie die bouwsteen gevonden?
’Ja. De basis hiervoor is een autokatalytische reactie. Dat is een reactie die zichzelf versnelt. Om daarmee te kunnen rekenen, heb je controle nodig over hóe die reactie versnelt. In ons onderzoek hebben we drie soorten metaalionen gebruikt, waarmee we konden bepalen wanneer de reactie versnelde, vertraagde en soms uitgeschakeld werd. Hiermee hebben we een basis gevonden om wiskundige bewerkingen te verrichten.’
Hoe hebben jullie dat gedaan?
’We werkten op een chip van polydimethylsiloxaan, een soort plastic. Hier voegden we moleculen opgelost in een vloeistof aan toe. Doordat we constant moleculen aanvoeren en restproducten afvoeren, voorkomen we dat het reactienetwerk in een evenwicht terechtkomt, waarbij er geen reacties meer plaatsvinden. Vergelijk het maar met onze cellen: wij hebben continu voedingsstoffen nodig en er zijn altijd afvalstoffen die ons lichaam verlaten. Bij een stilstaand evenwicht voeren onze cellen hun functies niet uit. In de scheikunde werkt dat ook zo. We kunnen heel exact bepalen hoeveel we van een stof toevoegen en daarmee kunnen we onze chemische reactienetwerken programmeren.’
Wat kun je met zo’n chip uitrekenen?
’We hebben in ons onderzoek laten zien dat je met ons systeem lineaire en kwadratische vergelijkingen kunt programmeren. Ook kun je logische functies uitvoeren. Dat zijn de basisbewerkingen die digitale computers uitvoeren. Het verschil is dat deze functies in ons netwerk slechts tijdelijk bestaan. Net als in de natuur is er niet echt een opslag. We schakelen zo’n functie aan wanneer die nodig is. Dit alles maakt onze aanpak duurzamer dan die met digitale computers.’
Albert Wong is universitair hoofddocent binnen het departement van moleculen en materialen aan de Universiteit Twente. Met een team van onderzoekers publiceerde hij in Nature Communications over de programmeerbaarheid van chemische reactienetwerken.
Beeld: Sanne Vaarhorst
