DNA-SpeicherungDas Erbgut wird zum Datenspeicher der Zukunft

Forscher haben Texte, Fotos und Musik fehlerfrei in künstlich hergestellter DNA gesichert. Kühl gelagert kann der Bio-Speicher Jahrtausende überdauern. von 

Nick Goldman begutachtet ein Proberöhrchen. Darin findet sich mit digitalen Informationen beladene synthetische DNA.

Nick Goldman begutachtet ein Proberöhrchen. Darin findet sich mit digitalen Informationen beladene synthetische DNA.   |  © European Molecular Biology Laboratory

Nick Goldman und Ewan Birney sind zwei Spinner im besten Sinne. Künftige Generationen werden sich vielleicht erinnern, wie die beiden einst den Grundstein zur Archivierung des Menschheitswissens legten. Alles begann in einer Hamburger Kneipe mit einer launigen Bierrunde der beiden – an deren Ende vollgekritzelte Servietten in die Taschen gestopft wurden. Goldmans und Birneys Gesprächsthema: Wie lassen sich künftig die Unmengen an Daten sicher langfristig speichern, die etwa an ihrem Arbeitsplatz entstehen, dem Europäischen Bioinformatik-Institut? Die Antwort fanden sie in einem Molekül, das beide in und auswendig kennen: Desoxyribonukleinsäure – DNA.

Digitale Daten in einem Biomolekül zu lagern, ist keine absurde Idee. Und auch nicht neu. Erstmals wurde 1988 eine Botschaft in ein DNA-Fragment eingebaut. Seither haben Wissenschaftler immer mal wieder damit experimentiert. Schließlich ist DNA der Speicher des Erbguts. Die Bau- und Schaltpläne aller Kreaturen hat die Natur in die mikroskopisch kleine Struktur gepresst.

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Die Vorteile des biologischen Speichermediums sind mannigfaltig. "DNA ist außergewöhnlich stabil. Es kann Tausende von Jahren unter einfachen Bedingungen und kaum Energieaufwand überstehen", sagt Goldman. Das Biomolekül lässt sich selbst noch aus uralten Mammutknochen extrahieren, die rein zufällig trocken, kühl und in Dunkelheit die Jahrtausende überdauerten, sagt Ewan Birney.

Was ist DNA?

DNA ist die aus dem Englischen stammende Abkürzung von Desoxyribonukleinsäure. Im Deutschen spricht man daher auch von DNS. Im Normalzustand kommt sie als Doppelhelix in jeder Zelle des Menschen vor. Auf diesem Strang ist das komplette Erbgut des Menschen als Code aus Basenpaaren gespeichert.

Diese vier Genbausteine – symbolisiert durch die Buchstaben A, T, G und C – sind die Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Deren Buchstaben ergeben einen einzigartigen Code, ganz ähnlich wie die Striche maschinenlesbarer Etiketten im Supermarkt.

Damit die Informationen der DNA auch umgesetzt werden, muss sie abgelesen werden. Bei diesem Vorgang entstehen RNA Ribonukleinsäuren, darunter bestimmte Boten-RNA, die den Bau von Proteinen regulieren – so werden Informationen aus der DNA im Organismus in die Tat umgesetzt.

Proteine wiederum steuern nicht nur die Biochemie des Körpers. Organe, Knochen, Muskeln, Haut und Gewebe des Menschen formen sich, weil Proteine in ihren Zellen das Sagen haben.

In künstlich hergestellter DNA könnte demnach das digitalisierte Wissen der Welt gelagert werden. Das Molekül besteht vorwiegend aus einer unvorstellbar langen Abfolge der Buchstaben ACGT. Jeder Buchstabe steht für eine Base. Die Sequenz daraus bestimmt, was Zellen letztlich Leben einhaucht. Was wäre also, wenn man den ACGT-Code selbst benutzte, um darin Informationen, Bücher, Fotos, Filme und Musik zu speichern? Jede digitale Information beruht heute auf einem binären Schlüssel der Zahlen 0 und 1. "Ebenso gut kann sie auch in lange Reihen der Buchstaben A, C, G und T umgewandelt werden", sagt Nick Goldman.

Das Ergebnis ist ein winziges Partikel in einem Proberöhrchen, kleiner als ein Sandkorn.

Nick Goldman, Bioinformatiker

Ihm, seinem Kollegen Ewan Birney und ihren Arbeitsgruppen ist dies gelungen. Im Magazin Nature stellen sie ihre Methode vor, codierte DNA zu synthetisieren und als Datenträger zu verwenden. Ein paar Beispiele kommen in der Arbeit vor: In Schnipseln des Moleküls hinterlegten die Forscher Daten für ein Foto ihres Instituts, ein Textdokument mit allen 154 Sonetten von Shakespeare und ein PDF-Dokument der Studie, in der die berühmten Genetik-Pioniere James Watson und Francis Crick einst die Struktur der DNA beschrieben. Schließlich kamen noch die Daten einer Mp3-Datei mit einem Ausschnitt der berühmtesten Rede des Bürgerrechtlers Martin Luther King hinzu: "I Have a Dream".

Auf ein Gramm DNA passen Daten von einer Million CDs

Ihre Datensequenz als ACGT-Code schickten Goldman und Birney der kalifornischen Firma Agilent Technologies, die ihre teuren Maschinen anschmiss. Die spuckten entsprechende DNA-Moleküle aus. Anschließend wurden diese gefriergetrocknet. "Das Ergebnis ist ein winziges Partikel in einem Proberöhrchen, kleiner als ein Sandkorn", sagt Goldman. Ein darin verschlüsseltes Sonett von Shakespeare wiegt 0,3 Pikogramm oder 0,0000000000003 Gramm. Die verschwindend geringe Menge DNA schickte das kalifornische Unternehmen per Post zurück nach Europa. Und hier zeigte sich, dass sich die Informationen daraus zurückgewinnen lassen. In einem Heidelberger Labor wurden die DNA-Fragmente innerhalb von zwei Wochen ausgelesen. Am Computer konnten die Forscher die Daten entschlüsseln – "mit einer Genauigkeit von 100 Prozent", sagt Goldman.

Sven Stockrahm
Sven Stockrahm

Sven Stockrahm ist Redakteur im Ressort Wissen bei ZEIT ONLINE. Seine Profilseite finden Sie hier.

DNA zu synthetisieren und zu sequenzieren ist kein fehlerloses Unterfangen. Besonders häufig verlesen sich die Apparate, wenn sie natürliches Erbgut von Lebewesen bearbeiten, worin identische Buchstaben aufeinander folgen. Etwa TT oder AA. Im erdachten Speichercode kommt daher niemals ein Buchstabe direkt hintereinander vor. Zudem wird jedes Bit an Information vierfach gespeichert. Daraus resultieren Hunderte identische DNA-Schnipsel. Fehlerhaft ausgelesene Fragmente werden somit vom Rauschen der Vielzahl an korrekten Sequenzen überlagert.

Was also steht dem Siegeszug des DNA-Speichers im Wege? Noch viel. "Heute ist es noch atemberaubend teuer, DNA zu synthetisieren", sagt Ewan Birney. Bliebe das so, wäre die Technologie erst in mehreren hundert Jahren kosteneffizient. Derzeit müsste man geschätzte 12.400 US-Dollar hinblättern, um ein Megabyte Information in DNA zu synthetisieren. Sie auszulesen koste etwa 220 US-Dollar pro Megabyte.

Leserkommentare
  1. auslesen können, wenn die Menschen weg sind.

    Sie werden bei der Musik wahrscheinlich sowas denken wie "Kein Wunder das die Ausgestorben sind"

  2. Wenn Sie den Artikel genau lesen, werden Sie sehen, dass die Daten in Heidelberg sequenziert wurden. Außerdem gehören das EBI, an dem Birney arbeitet, und das EMBL in Heidelberg zusammen.
    Sie sehen also, es war eine internationale Spielerei, die genauso gut in Deutschland hätte passieren können - wieso auch nicht....

    3 Leserempfehlungen
    • clausj
    • 24. Januar 2013 13:04 Uhr

    ...nicht korrekt da Sie den Artikel evtl. nicht sorgfältig gelesen haben oder Sie einfach nur einen Aufhänger brauchten um pauschal, als auch unbegründet, ein wenig über die Grünen zu meckern.

    Eine Leserempfehlung
  3. Im Text steht geschrieben:
    "Die Sequenz daraus bestimmt, was Zellen letztlich Leben einhaucht."

    Das ist so nicht richtig. Damit die DNA überhaupt etwas bestimmen kann, muß sie sich in einer bereits lebenden Zelle befinden, sie kann aber kein Leben erzeugen.
    Sie können die DNA vergleichen mit einem äußerst umfangreichen Softwarepaket, das ein Betriebssystem ebenso umfaßt wie verschiedenste andere hochkomplexe Programme.
    Damit diese Software funktioniert, brauchen sie allerdings zunächst einmal einen betriebsbereiten Computer, denn ihren eigenen Computer, auf dem sie einmal laufen wird, kann diese Software nicht erzeugen.

    Die synthetische Konstruktion einer lebenden Zelle dürfte wiederum von der Konstruktion her ähnlich komplex sein, wie die Durchführung von Touristenreisen in die Andromeda-Galaxie.

    4 Leserempfehlungen
    Reaktionen auf diesen Kommentar anzeigen

    Verabschieden sie sich von der Vergangenheit, die ist vorbei.
    Was Sie glauben zu wissen ist längst passe.

    Sie leben in der Zukunft mann,science fiction ist heute!

    Schon mal was von Biobricks gehört?
    Die (Gen-) Bausteine von Bakterien sind heute Teil einer OpenSource Bewegung die daraus massgeschneidertes Leben für Technische Applikation baut:

    http://en.wikipedia.org/w...

    Oder von DNA Hacking?
    http://spectrum.ieee.org/...

    Alles wird Anders!

    vielleicht machen Sie sich ja die Mühe, und lesen ihre genannte Links aufmerksam durch, dann kommen Sie darauf, daß dort nirgends die Rede davon ist, wie man tote Materie ohne Zuhilfenahme einer bereits lebenden Zelle zum Leben erweckt.
    Die Arbeitsbereiche der synthetischen Biologie sind mir bekannt, aber man darf trotz der Begeisterung für ihre immensen Fortschritte doch nicht vergessen, was sie leistet und was nicht.

    Vielleicht hab ich sie da falsch verstanden.

    Ich dachte sie meinten damit, dass es unmöglich wäre Lebende Zellen eine gewünschte Funktionalität zu geben.

    Aber Sie meinten wohl eine Zelle aus "Ursuppe" schaffen und sie zum Leben erwecken.

    Aber ist das nicht vollständig irrelevant?
    Warum sollte man eine "neue" Zelle bauen und zum Leben erwecken?
    Zellen haben diese tolle Eigenschaft, dass sie sich Teilen.

    Niemand käme auf die Idee Zellen anders "Herzustellen".

    Hat man dadurch nicht neues "Leben" geschaffen nach Wunsch?

  4. Man wird die Daten wohl kaum mit Sangersequenzierung auslesen, weswegen die gezeigten Chromatogramme äußerst irreführend sind....

    Antwort auf "Rauschen"
    Reaktionen auf diesen Kommentar anzeigen

    Im Paper wurde tatsächlich ein Illumina HiSeq 2000 verwendet, bei dem keine elektrophoretische Aufspaltung erfolgt. Die Stoffmengenverhältnisse der einzelnen Basen werden aber bei dieser Sequenzierungmethode ähnlich sein, da sie von der verwendeten Polymerase abhängig sind. Trägt man die Intensität der Fluoreszenzen über der Nummer der Base auf, würde man also praktisch das gleich Diagramm wie bei der Fluoreszenz-basierten Sangermethode erhalten, was ich sehr anschaulich finde.

  5. endlich auch esssen.

    Eine Leserempfehlung
    • iboo
    • 24. Januar 2013 13:16 Uhr

    überlassen - in betriebsfertigem Zustand und mit einer auch für Laien verständlichen Gebrauchsanleitung in allen denkbaren und undenkbaren Sprachen.
    Sonst wird das nichts mit der Entschlüsselung.

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