Biochemische Zufallszahl

Bei der Verschl¨¹sselung von Information sowie f¨¹r Spielautomaten werden echte Zufallszahlen ben?tigt. Das sind Zahlen, die tats?chlich zuf?llig sind und von niemandem erraten werden k?nnen, auch nicht von Personen, welche detaillierte Kenntnisse haben von der Methode, mit der sie generiert wurden.

In der Regel werden dazu physikalische Methoden verwendet. Wegen feinsten hochfrequenten Elektronenbewegungen ist zum Beispiel der elektrische Widerstand eines Drahtes nicht konstant, sondern er fluktuiert geringf¨¹gig auf nichtvorhersagbare Weise. Messungen dieses Hintergrundrauschens k?nnen daher zur Erstellung von echten Zufallszahlen verwendet werden.

Forschende unter der Leitung von Robert Grass, Professor am Institut f¨¹r Chemie- und Bioingenieurwissenschaften, haben nun erstmals eine nicht-physikalische, sondern eine chemisch-biologische Methode zur Erstellung solcher Zahlen beschrieben, die in der Praxis auch funktioniert. Fr¨¹here Ideen anderer Wissenschaftler, Zufallszahlen mit chemischen Mitteln zu erstellen, waren eher theoretischer Natur.

DNA-Synthese mit zuf?lligen Bausteinen

Die ETH-Forschenden verwenden dazu die Synthese von DNA-Molek¨¹len, eine in der biologischen Forschung etablierte und seit Jahren oft verwendete Methode. Traditionell wird diese verwendet, um eine genau definierte DNA-Sequenz herzustellen. Hier produzierten die Forschenden jedoch DNA-Molek¨¹le aus 64 Bausteinen, bei dem an jeder der 64 Positionen zuf?llig einer der vier DNA-Bausteine A, C, G oder T zu liegen kam. Sie erreichten dies, indem bei jedem Syntheseschritt statt nur ein Baustein eine Mischung der vier Bausteine verwendet wurde.

Mit einer verh?ltnism?ssig einfachen Synthese liess sich damit eine Mischung von gesch?tzt drei Billiarden solcher Molek¨¹le herstellen. Anschliessend bestimmten die Wissenschaftler mit einer leistungsf?higen DNA-Sequenziermethode die A-C-G-T-Bausteinabfolge von 5 Millionen dieser Molek¨¹le. Das waren 12 Megabytes an Daten, welche die Forschenden in einer Abfolge von Nullen und Einsen auf einem Computer abspeicherten.

Grosse Menge an Zuf?lligkeit auf kleinem Raum

Komplett gleich verteilt waren die vier Bausteine A, C, G und T zwar nicht, wie sich in einer Analyse herausstellte: Feinheiten der Natur oder der Synthesemethode sorgten daf¨¹r, dass die Bausteine G und T etwas h?ufiger in die Molek¨¹le eingebaut wurden als A und C. Die Wissenschaftler konnten dieses Ungleichgewicht jedoch mit einem Algorithmus korrigieren und somit perfekte zuf?llige Zahlen generieren.

Letztlich ist es ETH-Professor Grass mit der Arbeit vor allem darum gegangen aufzuzeigen, dass sich mit der in der Chemie existierenden Zuf?lligkeiten perfekte Zufallszahlen generieren lassen. Eine direkte Anwendung stand zun?chst nicht im Vordergrund. ?Gegen¨¹ber anderen Methoden hat unsere jedoch den Vorteil, dass man mittels DNA-Synthese eine grosse Menge an Zuf?lligkeit generieren und auf einem extrem kleinen Raum, in einem kleinen Reagenzglas, aufbewahren kann?, sagt Grass. ?Die Information auslesen und in digitale Form uminterpretieren kann man auch sp?ter. Mit den bisherigen Methoden ist das nicht m?glich.?