Ein Forschungsziel der Synthetischen Biologie ist die Konstruktion genetischer Logikschaltungen, die die Steuerung des Informationsflusses in biologischen Zellen ermöglichen. Analog zu elektronischen digitalen Schaltungen werden Schwellwerte auf Signale angewendet, um diese in boolesch 0 und 1 zu unterscheiden. Aus genetischen Bausteinen werden Logikgatter gebildet, die primitive boolesche Funktionen implementieren und in Gatterbibliotheken zusammengefasst werden. Diese Modularisierung ermöglicht die Anwendung von Methoden der Entwurfsautomatisierung, um genetische Logikschaltungen zu konstruieren und stellt die Basis für das Forschungsfeld der Genetic Design Automation dar. In Anlehnung an die Electronic Design Automation wird die Abbildung einer funktionalen Spezifikation auf die Zieltechnologie Technology Mapping genannt.

Im Vergleich zur Elektronik besitzt die genetische Technologie Eigenschaften, die neue Herausforderungen für Technology Mapping-Verfahren darstellen. So werden Stoffe als Signalträger verwendet, die nicht räumlich getrennt sind. Gatter in einer Schaltung müssen daher einzigartige Träger, und somit individuelle genetische Bausteine, verwenden. Daraus resultieren heterogene Transfer-Charakteristiken, die die Optimierung der Zuweisung von Gattern auf die Schaltungstopologie erforderlich machen. Weiterhin unterliegen Zellen einer starken Variabilität und unerwünschten Wechselwirkungen zwischen synthetischen und natürlichen Komponenten, die in der Konstruktion robuster Schaltungen berücksichtigt werden müssen. Oft übernehmen bestehende Ansätze in diesem dynamischen Forschungsfeld Methoden der Electronic Design Automation, die jedoch Potential für eine verbesserte Anpassung an die Problemstruktur genetischer Schaltungen bieten.

In dieser Arbeit werden Technology Mapping-Methoden für den Entwurf kombinatorischer genetischer Logikschaltungen präsentiert. Im Unterschied zu existierenden Methoden, die die Schaltungstopologie als Nutzereingabe erwarten oder diese mit Zielfunktionen aus dem Bereich der Elektronik synthetisieren, wird die Topologie als Freiheitsgrad im Technology Mapping aufgefasst. Die Methode wird Anhand eines Satzes boolescher Funktionen, für die bereits Schaltungen in vivo implementiert wurden, evaluiert. Durch die Enumeration struktureller Varianten kann die Entwurfsqualität gemessen in einer traditionellen Zielfunktion um bis zu 11.3-fach und im Durchschnitt um 38% verbessert werden. Dabei bleibt die Schaltungsgröße minimal. Weiterhin werden Methoden für die Optimierung der Gatterzuweisung vorgestellt, die durch ihre Effizienz die Erkundung breiter Entwurfsräume ermöglichen und den Aufwand für die Evaluation komplexer Modelle kompensieren. Basierend auf der funktionalen Hierarchie genetischer Logikschaltungen und fundamentalen Eigenschaften genetischer Gatter, wurden eine Simulated Annealing-Heuristik sowie eine Branch-and-Bound-Methode mit exaktem und heuristischem Modus entworfen. Letztere weist einen 20-fachen Speedup gegenüber erschöpfender Suche für das Finden der exakten Lösung auf. Die Heuristiken erreichen einen 722-fachen Speedup für das Erzeugen quasi-optimaler Lösungen mit einer maximalen Abweichung vom optimalen Zielfunktionswert von -0.11% und übertreffen damit eine existierende Heuristik.

Zusätzlich wurde Robustheit gegenüber der Variabilität von Zellen als Entwurfsziel in den Technology Mapping-Prozess integriert. Dafür wurde die Simulated Annealing-Heuristik an eine alternative Zielfunktion, den E-Score, angepasst und ein heuristischer Ansatz für Robustheit entworfen und in die Brach-and-Bound-Methode integriert. Beide Methoden weisen eine gute Mapping-Effizienz auf. Ihr Vergleich offenbart die Überlegenheit der globalen Optimierung für Robustheit durch den E-Score. Weiterhin wurde ein kontextsensitives Schaltungsmodell integriert, wodurch die Generierung optimaler Designs ermöglicht wird, selbst wenn die Schaltung unerwünschten Wechselwirkungen unterliegt. Die Evaluation unterschiedlicher Annahmen über das Übersprechen zwischen Gattern einer Bibliothek zeigt, dass gewisse Nichtorthogonalitäten in Gatterbibliotheken akzeptabel sind, wenn diese im Entwurfsprozess berücksichtigt werden.