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2026-01-23T01:04:47Z

Idee: So gemeint?

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Als '''DNA-''', '''RNA-''' oder allgemeiner auch '''Biocomputer''' werden [[Computer]] bezeichnet, die auf der Verwendung der Erbsubstanz [[Desoxyribonukleinsäure]] (DNA) oder [[Ribonukleinsäure]] (RNA) als Speicher- und Verarbeitungsmedium beruhen. Sie stellen einen Bereich der [[Bioelektronik]] dar.

Die Entwicklung von Biocomputern befindet sich noch in der Anfangsphase. Die ersten theoretischen Anstöße, dass Datenverarbeitung auf der Basis biologischer Moleküle möglich sein muss, lieferte der [[Nobelpreis für Physik|Nobelpreisträger]] [[Richard Feynman]], Begründer der [[Nanotechnologie]], in einem Vortrag zum Ende der 1950er Jahre.

== Idee ==
[[Datei:Wie speichert man Daten auf DNA? Gut zu wissen Tagesschau.webm|mini|Video: Prinzip des DNA-Computers]]
Die Organisation und Komplexität aller Lebewesen basiert auf einer Codierung mit vier verschiedenen Basen im DNA-Molekül. Dadurch stellt die DNA ein Medium dar, das für die Datenverarbeitung perfekt geeignet ist. Nach verschiedenen Berechnungen würde ein DNA-Computer mit einer Flüssigkeitsmenge von einem Liter und darin enthaltenen sechs Gramm DNA eine theoretische Speicherkapazität von 3072 [[Byte|Exabyte]] ergeben. Auch die theoretisch erreichbare Geschwindigkeit wegen der massiven Parallelität der Berechnungen wäre enorm. Pro Sekunde ergeben sich etwa Tausend Peta-Operationen, während die leistungsfähigsten Computer heute einige zehn Peta-Operationen pro Sekunde erreichen.

Zur Beschreibung von Anwendungsfeldern, bei deren Problemlösung Biocomputing herkömmlichem Computing überlegen sein könnte, wird analog zur [[Quantenüberlegenheit]] (''quantum supremacy'') auch der Begriff ''cellular supremacy'' („[[Zelle (Biologie)|zelluläre]] Überlegenheit“) verwendet.<ref>{{Literatur |Autor=Lewis Grozinger, Martyn Amos, Thomas E. Gorochowski, Pablo Carbonell, Diego A. Oyarzún, Ruud Stoof, Harold Fellermann, Paolo Zuliani, Huseyin Tas, Angel Goñi-Moreno |Titel=Pathways to cellular supremacy in biocomputing |Sammelwerk=Nature Communications |Band=10 |Nummer=1 |Datum=2019-11-20 |ISSN=2041-1723 |DOI=10.1038/s41467-019-13232-z |PMC=6868219 |PMID=31748511 |Online=https://www.nature.com/articles/s41467-019-13232-z |Abruf=2024-04-22}}</ref>

== Geschichte ==
Erste Überlegungen für '''DNA-Speicher''' gab es bereits seit den 1960er-Jahren und erste Experimente seit der Jahrtausendwende.<ref name=":2">{{Internetquelle |url=http://www.netzeitung.de/qt/222111.html |titel=Strahlenresistente Bakterien als dauerhafte Datenspeicher – netzeitun… |datum=2013-02-11 |archiv-url=https://archive.today/20130211122349/http://www.netzeitung.de/qt/222111.html |archiv-datum=2013-02-11 |abruf=2019-06-12}}</ref>

Ursprünglich kam die Idee von [[Leonard Adleman]] von der [[University of Southern California]], im Jahr 1994.<ref>Leonard M. Adleman (1994): Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems. Science 266: 1021–1024. {{DOI|10.1126/science.7973651}}</ref> Adleman bewies in einem Machbarkeitsnachweis, dass man DNA zum Programmieren verwenden kann. Dieser Machbarkeitsnachweis bestand darin, dass er mit Hilfe von DNA eine Etappe des [[Hamiltonpfadproblem]]s löste. Seit Adlemans erstem Experiment gab es schon große Fortschritte und man konnte beweisen, dass diverse [[Turingmaschine]]n produzierbar sind.<ref>Dan Boneh, Christopher Dunworth, Richard J. Lipton, Jir̆í Sgal (1996): On the computational power of DNA. Discrete Applied Mathematics Volume 71, Issues 1–3: 79–94. {{DOI|10.1016/S0166-218X(96)00058-3}}</ref><ref>{{cite journal
| author = Lila Kari, Greg Gloor, Sheng Yu
| date=2000-01
| title = Using DNA to solve the Bounded Post Correspondence Problem
| journal = Theoretical Computer Science
| volume = 231
| issue = 2
| pages = 192–203
| url = http://citeseer.ist.psu.edu/kari00using.html | doi=10.1016/s0304-3975(99)00100-0 |language=en}}
— Describes a solution for the bounded [[Post correspondence problem]], a hard-on-average NP-complete problem. Also available here: http://www.csd.uwo.ca/~lila/pdfs/Using%20DNA%20to%20solve%20the%20Bounded%20Post%20Correspondence%20Problem.pdf</ref>

Anfänglich lag das Interesse an dieser seinerzeit neuartigen Technologie bei der Lösung von „[[NP-Schwere|NP-schweren]]“ Problemen. Sehr bald fand man jedoch heraus, dass jene Probleme womöglich doch nicht so einfach mit Hilfe von DNA-Computern zu lösen wären und man schlug dementsprechend seither mehrere „Killerapplikationen“ vor, die seine Nützlichkeit bzw. seinen Anwendungsbereich und somit seine Daseinsberechtigung unter Beweis stellen sollten. Im Jahr 1997 schlug der Informatiker Mitsunori Ogihara in Zusammenarbeit mit dem Biologen Animesh Ray eine solche Applikation vor, die ein Beweis für die Anwendbarkeit für [[Logikgatter|Boolesche Funktionen]] sein sollte, und beschrieben eine mögliche Implementierung.<ref>M. Ogihara and A. Ray (1999): Simulating Boolean circuits on a DNA computer.
Algorithmica 25: 239–250. [https://urresearch.rochester.edu/institutionalPublicationPublicView.action?institutionalItemId=505&versionNumber=1 PDF download]</ref><ref>[http://partners.nytimes.com/library/cyber/week/052197dna.html „In Just a Few Drops, A Breakthrough in Computing“], ''[[New York Times]]'', May 21, 1997</ref>

Im Jahr 2002 haben Wissenschaftler des [[Weizmann-Institut für Wissenschaften]] in Rehovot, Israel, einen programmierbaren molekularen Computer gebaut, bestehend aus Enzymen und DNA-Molekülen anstatt Silizium-Chips.<ref>{{cite web|url=http://news.nationalgeographic.com/news/2003/02/0224_030224_DNAcomputer.html |title=Computer Made from DNA and Enzymes |accessdate=2009-11-26 |last=Lovgren |first=Stefan |date=2003-02-24 |work=National Geographic |language=en}}</ref> Am 28. April 2004 haben [[Ehud Shapiro]], Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor und Rivka Adar vom [[Weizmann-Institut]] in der Fachzeitschrift ''[[Nature]]'' bekannt gegeben, dass sie einen DNA-Computer gekoppelt mit einem In- und Outputmodul gebaut haben, welcher in der Lage sein sollte, [[Krebs (Medizin)|Krebsaktivitäten]] in einer Zelle aufzuspüren und bei Auftreten dieser ein Medikament abzugeben.<ref name="shapiro_cancer">Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, Rivka Adar, Ehud Shapiro (2004): An autonomous molecular computer for logical control of gene expression. Nature 429: 423-429 {{DOI|10.1038/nature02551}}</ref>

Im Jahr 2011 kam dem Bioinformatiker [[Nick Goldman]] die Idee, Datenmengen in der DNA zu speichern. Zwei Jahre später (Januar 2013) ist es Forschern gelungen, sämtliche [[Shakespeare]]-Sonetten und die Rede [[I Have a Dream]] von [[Martin Luther King]] auf die DNA zu speichern. Mittlerweile wurden auch andere Mediendateien wie PDF, Fotos, Audiodateien und Bitcoins gespeichert.<ref name=":2" />

2012 gelang es [[Robert Grass]] und seinen Kollegen eine Kopie des [[Bundesbrief von 1291|Schweizer Bundesbrief]] zu speichern und abzurufen.

Im März 2013 haben Wissenschaftler einen biologischen Transistor, „Transcriptor“ genannt, gebaut.<ref name=":2" />

Die Konzerte des [[Montreux Jazz Festival]]s sollen im Rahmen des [[Montreux Jazz digital project|Montreux Jazz Digital Projects]] auch in DNA-Speichern gesichert werden. Erste Stücke sind ''Tutu'' von [[Miles Davis]] und ''[[Smoke on the Water]]'' von [[Deep Purple]]. 2018 konnten die Festivalbesucher Ausschnitte aus den beiden Stücken hören.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.ch-cultura.ch/de/archiv/feste-festivals-messen-boersen/montreux-jazz-memories |titel=Montreux Jazz Memories |hrsg=Büro dlb |datum=2018-07-04 |sprache=fr |abruf=2022-11-29}}</ref>

Die [[University of Washington]] forscht zusammen mit [[Microsoft]] daran, DNA als Speichermedium zu verwenden. Daten sollen so über Jahrhunderte lesbar bleiben und die Fläche eines [[Rechenzentrum]]s zur Datenspeicherung auf einen Würfel geschrumpft werden. Daten werden automatisch in [[Künstliche DNA|künstlichen DNA-Strängen]] abgelegt und später wieder abgerufen. Die vier Basen [[Adenin]] (A), [[Cytosin]] (C), [[Guanin]] (G) und [[Thymin]] (T) werden in einen binären Code von einer Software codiert. Die chemische Fertigung der DNA-Stränge übernimmt eine [[Synthesemaschine]]. Beim Abrufen der Daten werden die Basensequenzen der DNA-Stränge in binären Code übersetzt. Allerdings ist die Lesegeschwindigkeit bisher sehr langsam und das Decodieren des Wortes „Hello“ dauert beispielsweise 21 Stunden.<ref>{{Literatur |Autor=Jochen Siegle |Titel=DNA: Microsoft automatisiert die Datenspeicherung in Biomolekülen |Datum=2019-03-29 |ISSN=0376-6829 |Online=https://www.nzz.ch/digital/dna-microsoft-automatisiert-die-datenspeicherung-in-biomolekuelen-ld.1470792 |Abruf=2019-06-12}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://blogs.microsoft.com/ai/synthetic-dna-storage-milestone/ |titel=Microsoft and University of Washington researchers set record for DNA storage |datum=2016-07-07 |abruf=2019-06-12 |sprache=en-US}}</ref><ref name=":1">{{Internetquelle |url=https://www.spektrum.de/news/auf-petabyte-pro-gramm/1182773 |titel=DNA-Datenspeicher: Auf Petabyte pro Gramm |abruf=2019-06-12 |sprache=de}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=futurezone/PR |url=https://www.futurezone.de/science/article216722265/Speicher-der-Zukunft-Microsofts-kuenstliche-DNA-sagt-Hallo.html |titel=Speicher der Zukunft: Microsofts künstliche DNA sagt „Hallo“ |abruf=2019-06-12}}</ref>

Anfang Juli 2019 gelang es einem DNA-Startup die gesamte [[englischsprachige Wikipedia]] mit einer Größe von ca. 16 Gigabyte auf DNA-Strängen zu speichern.<ref>{{Internetquelle |autor=René Resch |url=https://www.pcwelt.de/news/Komplettes-Wikipedia-auf-DNA-Straengen-gespeichert-10619370.html |titel=Komplettes Wikipedia auf DNA-Strängen gespeichert |datum=2019-07-01 |abruf=2019-07-03 |sprache=de-DE}}</ref>

== Techniken ==
Es gibt mehrere Methoden zum Bau eines DNA-computerartigen Geräts. Jede dieser Methoden hat seine ganz eigenen Vor- und Nachteile. Die meisten bauen die grundlegenden Logikgatter (UND, ODER, NICHT), welche man aus der digitalen Welt und der Booleschen Algebra kennt, auf DNA-Basis. Manche dieser Basen beinhalten [[DNAzyme]], [[Oligonukleotide|Desoxyoligonukleotide]], [[Enzym]]e und [[Polymerase-Kettenreaktion]]en (PCR).

=== Toehold Exchange ===
DNA-Computer wurden unter anderem mit Hilfe des „toehold exchange concepts“ gebaut. Im Zuge dieses Vorgangs wird ein DNA-Strang an ein [[Sticky End]], auch Toehold genannt, an einem anderen DNA Molekül befestigt. Dadurch kann dann ein anderer Strang ebenso deplatziert werden. Dies erlaubt ihnen modulare Logikkomponenten zu entwickeln, wie zum Beispiel UND, ODER, Nicht-Gatter und Signalverstärker, die mit beliebig großen Computern verbunden werden können. Dieser DNA-Computer benötigt weder Enzyme noch irgendeine der chemischen Eigenschaften der DNA.<ref>Georg Seelig, David Soloveichik, David Yu Zhang, Erik Winfree (2006): Enzyme-Free Nucleic Acid Logic Circuits. Science 314: 1585–1588. {{DOI|10.1126/science.1132493}}</ref>

== Beispiele ==
1994 präsentierte [[Leonard Adleman]] mit seinem [[TT-100]] den ersten Prototyp eines DNA-Computers in Form eines Reagenzglases mit 100 Mikrolitern DNA-Lösung. Mit Hilfe dieses Gerätes konnte er durch freie Reaktion der DNA einfache mathematische Probleme lösen.

In einem anderen Experiment wurde eine einfache Variante des [[Problem des Handlungsreisenden|Problems des Handlungsreisenden]] mittels eines DNA-Computers gelöst. Zu diesem Zweck wurde für jede zu besuchende Stadt der Aufgabenstellung ein Typ DNA-Fragment erzeugt. Ein solches DNA-Fragment ist zur Bindung an andere solche DNA-Fragmente fähig. Diese DNA-Fragmente wurden tatsächlich hergestellt und im [[Reagenzglas]] zusammengemixt. Es entstanden binnen Sekunden aus den kleineren DNA-Fragmenten größere DNA-Fragmente, die verschiedene Reiserouten repräsentierten. Durch eine chemische Reaktion (die Tage dauerte) wurden die DNA-Fragmente, die längere Reiserouten repräsentierten, eliminiert. Übrig blieb die Lösung dieses Problems, die jedoch mit heutigen Mitteln nicht ausgewertet werden kann. Dieses Experiment ist also nicht wirklich anwendungstauglich, jedoch ein [[Proof of Concept|Machbarkeitsnachweis]].

Forscher wollen in einem weiteren Versuch DNA mit Spuren von Gold leitfähig machen, um diese als Schaltkreis nutzen zu können. Bei der Verwendung als Speichermedium soll die Folge von 0 und 1 jeweils durch zwei der vier Basen [[Guanin]], [[Adenin]], [[Cytosin]] und [[Thymin]] dargestellt werden.

Aufgrund der besonderen Widerstandsfähigkeit von [[Deinococcus radiodurans|Deinococcus-radiodurans]]-Bakterien gegen schädigende Einwirkungen aller Art könnten sie als DNA-Speicher genutzt werden. [[Vereinigte Staaten|US-amerikanische]] Informatiker übersetzten den Text des englischen Kinderliedes ''It’s a Small World'' in den [[Genetischer Code|genetischen Code]] und schleusten die entsprechende DNA-Sequenz in das Erbgut der Bakterien ein. Noch nach etwa hundert Bakteriengenerationen ließen sich die Strophen in unveränderter Form mit üblicher [[DNA-Sequenzierung|Sequenziertechnik]] wieder auslesen, d. h., die eingebrachte Information wurde stabil abgespeichert und zusätzlich wurde durch die Vermehrung der Bakterien ihre Redundanz erhöht.<ref name=":2" />

== Anwendung ==
Es wird vorausgesagt, dass DNA-Computer vor allem dort neue Lösungen liefern können sollen, wo sie sich von traditionellen Computern unterscheiden: In der [[Speicherkapazität]] und in der [[Parallelrechner|Parallelisierung]].

Die Realisierung des DNA-Computers scheitert aktuell vor allem an technischen Problemen. Das Ziel der derzeitigen Forschung ist es, ein Hybridsystem zu schaffen, bei dem der DNA-Technologie elektronische Baugruppen vorgeschaltet werden.

== Alternative Technologien ==
2009 ging IBM eine Partnerschaft mit der [[California Institute of Technology|CalTech]] ein, deren Ziel es ist, DNA-Chips zu erschaffen.<ref>{{Webarchiv | url=http://media.caltech.edu/press_releases/13284 | wayback=20111014075545 | text=Archivlink}}(journal du CalTech)</ref> Eine Arbeitsgruppe der CalTech arbeitet bereits an der Fabrikation der Schaltkreise, die mit Nukleinsäuren betrieben werden. Einer dieser Chips kann ganze Quadratwurzeln berechnen.<ref>http://www.sciencemag.org/content/332/6034/1196.abstract</ref> Des Weiteren wurde schon ein [[Compiler]]<ref>http://www.dna.caltech.edu/SeesawCompiler</ref> in [[Perl (Programmiersprache)|Perl]] geschrieben.

== Vor- und Nachteile ==
Die Tatsache, dass der DNA-Computer nur sehr langsam Antworten produziert (die Reaktionszeit der DNA wird in Sekunden, Stunden oder sogar Tagen gemessen, anstatt wie sonst üblich in Millisekunden) und daher eine lange Lese- und Schreibgeschwindigkeit haben, wird dadurch kompensiert, dass viele Rechnungen parallel laufen und somit die Komplexität der gestellten Aufgabe nur geringe Auswirkungen auf die Rechendauer hat. Dies erklärt sich dadurch, dass mehrere Millionen oder Milliarden Moleküle gleichzeitig miteinander interagieren. Allerdings ist es bisher weitaus schwieriger die Ergebnisse eines DNA-Computers zu verwerten als die eines Digitalen.

Des Weiteren sind DNA-Computer wenig praxistauglich, da die Speichereinheiten oft sehr klein sind und sich nur kompliziert bearbeiten lassen. Daten können auch schneller durch UV-Strahlung beschädigt werden als bei herkömmlichen Speichern.<ref>{{Internetquelle |url=https://apps.derstandard.de/privacywall/story/2000077616743/bioinformatiker-dna-speicher-kann-man-nicht-hacken |titel=Bioinformatiker: „DNA-Speicher kann man nicht hacken“ – derStandard.de |abruf=2019-07-17 |sprache=de-AT}}</ref> Als Vorteile werden hingegen eine allgemeine längere Lebenszeit, höhere Speicherkapazität bei weniger Speichergröße („das gesamte Internet auf die Größe eines Schuhkartons passen“<ref>{{Internetquelle |url=https://www.golem.de/news/speichertechnik-microsoft-stellt-automatischen-dna-speicher-vor-1903-140188.html |titel=Speichertechnik: Microsoft stellt automatischen DNA-Speicher vor – Golem.de |abruf=2019-06-12 |sprache=de-DE}}</ref>), weniger Stromverbrauch und erhöhte [[Datensicherheit]] und Schutz vor Hackerangriffen genannt.<ref>{{Internetquelle |url=https://www1.wdr.de/wissen/technik/dna-speicher-100.html |titel=DNA als Datenspeicher |datum=2017-07-13 |abruf=2019-07-17 |sprache=de}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://zdb-katalog.de/list.xhtml?t=iss=%220174-4909%22&key=cql |titel=ZDB-Katalog – Suchergebnisseite: iss="0174-4909" |abruf=2019-07-17}}</ref> Auch die hohen Kosten stellen ein Problem dar, so kostet die DNA-Synthese für zwei Megabyte ca. 7.000 US-Dollar und das Auslesen weitere 2.000 oder 40 Cent pro Byte. Bis zu 215 [[Petabyte]] sollen auf ein Gramm Erbgut passen.<ref name=":1" /><ref>{{Literatur |Autor=Annett Stein |Titel=DNA: Forscher erschaffen Speicher mit extrem hoher Datendichte |Datum=2017-03-06 |Online=https://www.welt.de/wissenschaft/article162610211/Wie-gut-kann-man-Daten-in-DNA-speichern.html |Abruf=2019-06-12}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Jan Oliver Löfken |Titel=Datenspeicher: Festplatten aus DNA speichern mehr als jeder Chip |Sammelwerk=Die Zeit |Ort=Hamburg |Datum=2017-03-03 |ISSN=0044-2070 |Online=https://www.zeit.de/wissen/2017-03/dna-datenspeicher-erbgut |Abruf=2019-06-12}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.handelsblatt.com/technik/it-internet/speichertechnik-microsoft-speichert-daten-in-kuenstlicher-dna/24134336.html |titel=Speichertechnik: Microsoft speichert Daten in künstlicher DNA |abruf=2019-06-12 |sprache=de}}</ref>

== Siehe auch ==
* [[Quantencomputer]], der ähnliche [[Rechenleistung]] verspricht
* [[Peptid-Computer]]
* [[DNA-Sequenzierung]]
* [[Molekularelektronik]]
* [[Parallelrechner]]
* [[Bioinformatik]]
* [[Kohlenstoffnanoröhrenspeicher|Kohlenstoffnanoröhren]]

== Literatur ==
* Thomas Buchholz, Martin Kutrib: ''Molekulare Computer. Rechnen im Reagenzglas''. In: ''Spiegel der Forschung'' 15 (1998), Heft 1, S. 27–36 ([http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2006/3549/ Volltext])
* [[Robert Ludlum]]: ''Die Paris Option'', ISBN 3-453-43015-8 (belletristische Darstellung)
* Ralf Zimmer: ''Ein universeller DNA-Computer''. In: Der GMD-Spiegel {{ISSN|0724-4339}}, Heft 3/4, Oktober 1999, S. 24–28
* [[Leonard Adleman|Leonard M. Adleman]]: ''Rechnen mit DNA''. In: Spektrum der Wissenschaft Dossier – Rechnerarchitekturen, 4/2000, S. 50–57. (Adleman ist das A in [[RSA-Kryptosystem|RSA]]).
* Zoya Ignatova, Israel Martinez-Perez, [[Karl-Heinz Zimmermann]]: ''DNA Computing Models.'' ISBN 978-0-387-73635-8, Springer, XIV, 288 p., 20 Illus., 2008.

== Weblinks ==

* [https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/berechnendes-erbgut/ Berechnendes Erbgut] – Artikel bei ''wissenschaft.de'', vom 24. März 2005
* [https://www.heise.de/newsticker/meldung/Experte-Medizin-ist-natuerliche-Anwendung-fuer-DNA-Computer-172217.html Experte: Medizin ist „natürliche Anwendung“ für DNA-Computer] – Artikel bei ''[[heise online]]'', vom 26. April 2007
* [https://www.heise.de/newsticker/meldung/Logische-Gatter-aus-Ribonukleinsaeure-212145.html Logische Gatter aus Ribonukleinsäure] – Artikel bei ''heise online'', vom 18. Oktober 2008
* [http://electronics.howstuffworks.com/dna-computer.htm How DNA Computers Will Work] (englisch) – Artikel bei ''HowStuffWorks''
* [https://www.heise.de/newsticker/meldung/Bakterien-helfen-beim-Problem-des-Handlungsreisenden-7443.html Bakterien helfen beim Problem des Handlungsreisenden, 27. Juli 2009]
* [http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-10290-2009-08-04.html DNA-Computer löst antike Logik (Syllogismus des Aristoteles)]
* [http://www.vol.at/wissenschaftler-speichern-shakespeare-und-musikdateien-auf-dna/3468620 Wissenschaftler speichern Shakespeare und Musikdateien auf DNA]
* [https://arxiv.org/abs/1607.08078# Computing exponentially faster: Implementing a nondeterministic universal Turing machine using DNA]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{SORTIERUNG:DnaComputer}}
[[Kategorie:Biotechnologie]]
[[Kategorie:Computer]]
[[Kategorie:Bioinformatik]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]

DNA-Computer - Versionsgeschichte

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