Das Bild einer Hand und ein kurzes Video von einem rennenden Pferd: Übersetzt in die Grundform aller digitalen Information, bestehen die beiden Dateien aus einer Abfolge von knapp 24.000 Einsen und Nullen. Gespeichert werden könnten sie auf Festplatten, Servern, CDs, USB-Sticks – oder in Bakterien. Das ist jedenfalls einem Forscherteam aus den USA gelungen. Es hat den Binärcode mithilfe der Methode Crispr/Cas ins Genom von Bakterien des Typs Escherichia coli eingebaut.

Die Crispr-Methode ist eine Art molekulargenetisches Werkzeug. Es besteht aus einem Protein und einer Molekülsequenz. Wird es in einen Organismus eingeschleust, funktioniert es dort wie eine Genschere: Bestimmte Abschnitte eines Gens können herausgeschnitten, korrigiert oder durch andere Abschnitte ersetzt werden. Letzteres haben die Forscher aus den USA gemacht.

Die Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt im Fachmagazin Nature (Shipman et al., 2017). Insgesamt sind die im Versuch gespeicherten Informationen etwas größer als 3.000 Byte, das entspricht 24.000 Bits. Um die 24.000 Einsen und Nullen in eine Form zu bringen, die in den Genen von Bakterien gespeichert werden kann, wandelten die Forscher sie in eine Abfolge der vier Buchstaben A, G, C und T um. Die Buchstaben entsprechen den Nukleinbasen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, aus denen die menschliche DNA aufgebaut ist.

Mithilfe von Viren schleusten sie den Code in die einzelnen Bakterien einer Population ein. 100 DNA-Fragmente brauchten sie, um die Hand abzubilden, insgesamt 520 waren für das Pferdevideo nötig. Die Fragmente selbst bestanden dabei jeweils aus etwa 30 Basenpaaren.

Daten in DNA zu speichern, ist keine neue Idee: 1988 konnten Wissenschaftler erstmals ein in 35 Bits codiertes Bild einer altgermanischen Rune in einem DNA-Code speichern. 24 Jahre später gelang einer Forschergruppe ein Experiment mit einer weitaus größeren Datenmenge. (Science: Church et al, 2012). Sie schaffte es, ein 659.000 Byte umfassendes Buch in künstlicher DNA zu hinterlegen.

Wiederum ein Jahr später steigerten Wissenschaftler um Nick Goldman diesen Rekord, sie konnten 739.000 Byte im genetischen Code sichern (Nature: Goldman et al, 2013). Darunter befanden sich ein Foto ihres Instituts, ein Textdokument mit allen 154 Sonetten von Shakespeare und ein PDF-Dokument jener Studie, in der einst die Struktur der DNA beschrieben wurde.

Im Januar dieses Jahres zeigte sich dann das volle Potenzial der DNA-Speicher: US-Forscher berechneten, dass man mit nur einem Gramm DNA-Material 215.000 Terabyte Daten dauerhaft speichern könnte (Science: Erlich/Zielinkski, 2017).

"Lebende Organismen, die Informationen speichern und verbreiten"

DNA ist zudem äußerst langlebig. 2013 konnten Forscher zum Beispiel das Erbgut eines im Permafrost konservierten Pferdes isolieren – nachdem es bereits 700.000 Jahre eingefroren war (Nature: Orlando et al, 2013). So lange halten bislang weder Festplatten, noch die kilometerlangen Magnetbänder, die in manchen Archiven noch für besonders wichtige Daten als Speichermedium genutzt werden. Zudem setzen Forscher darauf, dass technologisch fortgeschrittene Zivilisationen die Bausteine des Lebens auch in ferner Zukunft noch lesen können.

Noch ist der Aufwand für den Ansatz groß. Allein die Herstellung künstlicher DNA und das Sequenzieren kosteten das Projekt von 2013 etwa 9.000 US-Dollar. Zudem ist die Herstellung künstlicher DNA ein extrem langwieriger Prozess. Schon eine einzelne Base hinzuzufügen, kann mehrere Minuten dauern. Außerdem müssen die Forscher noch herausfinden, wie sie die winzigen Datenspeicher am besten lagern können.

Crispr - So funktioniert das neue Universalwerkzeug der Gentechnik Günstig, leicht zu handhaben und enorm effektiv: Crispr revolutioniert die Gentechnik. Das Erbgut aller Lebewesen lässt sich damit beliebig formen, wie das Video zeigt.

Der nun veröffentlichten Studie zufolge soll Crispr das Mittel der Wahl sein, um DNA zum Datenspeicher zu machen. Doch im Vergleich zu anderen Projekten sind die gespeicherten 3.000 Byte von Bild und Video wenig. Die Forscher erhoffen sich allerdings, dass sie durch ihren Ansatz "lebende Organismen schaffen, die im Laufe der Zeit Informationen erfassen, speichern und verbreiten können".

In Zukunft könnte das funktionieren, momentan sei es aber noch schwierig, sagt Lennart Randau. Der Biologe, der nicht an der Studie beteiligt war, ist Teil des Crispr-Forschungsschwerpunkts der deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) und forscht an der Universität Marburg und am Max-Planck Institut für terrestrische Mikrobiologie zum Thema. "Die Sequenzen, die mithilfe der Crispr/Cas-Methode eingebaut werden, sind in E.-coli-Bakterien nicht stabil", sagt Randau.

Die Nachteile der Datenspeicherung in Bakterien

In der Theorie reproduzieren die Bakterien die Daten zwar durch Zellteilung, doch noch sind die Kopien nicht immer fehlerfrei. "Langfristig können Crispr die eingebauten DNA-Teile verlieren und auch Bakteriengenom- oder Plasmid-Sequenzen einbauen", sagt er. Nach einigen Generationen könnte man wahrscheinlich nur noch Bruchteile der Botschaft erkennen.

Die Forscher müssten es also schaffen, die Bakterienpopulation zu stabilisieren, um Fehler zu vermeiden. Die Studie könne die Grundlage für weitere Forschungsarbeiten in diesem Gebiet sein. Aktuell habe das beschriebene Verfahren zur Datenspeicherung aber noch keine Vorteile gegenüber anderen Methoden.

Um die Daten mithilfe von Crispr/Cas in die DNA der Bakterien einzuschleusen, müssen die DNA-Abschnitte zunächst künstlich hergestellt werden. Das Auslesen der Daten ist außerdem kompliziert: Die Informationen liegen nicht geordnet in einem Bakterium vor, sondern sind über die gesamte Population verteilt und müssen erst richtig angeordnet werden.

"Das Paper ist vor allem für die Crispr-Forschung im Allgemeinen sehr interessant", sagt Randau. Denn die Forscher haben herausgearbeitet, wie sie die DNA-Bausteine am effizientesten und fehlerfrei ins Bakteriengenom einbauen können. Die Veröffentlichung kann nun anderen Forschern dabei helfen, den Crispr-Mechanismus noch besser zu verstehen.

Durch die Verwendung als Datenspeicher wirke die Methode auch für Laien noch einmal deutlich spannender, glaubt Randau. In diesem Sinne wäre es aber vielleicht schlauer gewesen, statt des Pferdefilms ein Katzenvideo zu nehmen.